基于迅捷聯(lián)測的全息三維聯(lián)測方法

付成群，方　亮，謝立軍，王　勇

(解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，南京　210007)

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基于迅捷聯(lián)測的全息三維聯(lián)測方法

付成群，方亮，謝立軍，王勇

(解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，南京210007)

摘要：為快速獲取和實現(xiàn)再現(xiàn)空間實體對象的姿態(tài)、分層、分類以及其內(nèi)部地球物理特性，在3個基本假設的基礎上，引入了全息三維聯(lián)測的概念與內(nèi)涵，在理論上論述了機載雙頻激光雷達掃描技術、激光—高光譜共光路技術和瞬變電磁地空探測技術，并建立了迅捷聯(lián)測物理模型和全息三維數(shù)學模型，在應用上論述了空陸聯(lián)測技術、水陸聯(lián)測技術和全息三維建模方法;空地聯(lián)測、光譜聯(lián)測、水陸聯(lián)測、地空探測等聯(lián)測理論與方法，在探測方法上密切關聯(lián)，在探測對象上互相補充，從而形成了全息三維聯(lián)測方法。

關鍵詞：全息三維;迅捷聯(lián)測; 物理模型; 數(shù)學模型

1問題提出

為解決高密度、高精度空間海量數(shù)據(jù)的快速獲取問題，選用綜合集成了激光掃描儀、大幅面數(shù)字相機、差分導航定位和慣性測量裝置的機載激光雷達，可快速獲取高精度環(huán)境數(shù)據(jù)是有效措施。激光掃描可快速獲取高精度環(huán)境數(shù)據(jù)，但缺乏光譜特征數(shù)據(jù)，揭露偽裝能力弱；高光譜具有識別偽裝目標優(yōu)勢，但識別目標屬性受限制，將兩者結(jié)合可以解決空間目標的精確定位和屬性識別等問題。發(fā)展高光譜和激光聯(lián)合測量是必然之路。高光譜-激光雷達共光路聯(lián)測能有效解決空間目標的精確定位和精細目標識別問題，但高光譜-激光雷達共光路聯(lián)測只能探測地表以上目標，不能從空中對水下目標進行探測。為了解決從空中對地表和水下目標同步聯(lián)測，發(fā)展水陸聯(lián)測系統(tǒng)成為必然選擇[1]。水陸聯(lián)測解決了地表和水下目標同步聯(lián)測問題，但測繪技術無法探測地表以下目標，對地下目標的成像探測無能為力，必須借助于地球物理探測技術，解決從空中對地下目標探測的難題，地空逆合成孔徑瞬變電磁探測方法[2]就是解決從空中對地下目標成像探測的不二選擇。

空地聯(lián)測、高光譜激光聯(lián)測、水陸聯(lián)測、地空探測等探測理論與方法，在探測方法上相互關聯(lián)，在探測對象上互相補充，全息三維聯(lián)測是測繪學與地球物理學的交叉融合發(fā)展的產(chǎn)物。

2基本假設

1)實體對象在空間上具有姿態(tài)、分層、分類的結(jié)構(gòu)性和內(nèi)部的地球物理特性，光學可見的實體對象具有光譜特性，地下介質(zhì)實體目標只能探測空間姿態(tài)和地球物理屬性數(shù)據(jù)，不能獲取光譜屬性數(shù)據(jù)；

2)地面和空中可見光實體對象由其空間維結(jié)構(gòu)信息和光譜維屬性信息進行逆向精細建模再現(xiàn)，必要時增加內(nèi)部地球物理特征信息進行界定；

3)地下和水下實體對象由其空間維結(jié)構(gòu)信息和其內(nèi)部地球物理屬性信息經(jīng)反演推斷確定。

3全息三維聯(lián)測概念與內(nèi)涵

3.1全息三維的概念與內(nèi)涵

過去的三維往往只有3層，不具備結(jié)構(gòu)化，因此不能叫全息。具備結(jié)構(gòu)化，首先對象化，其次是要要分層分類，再次要有實體化。實體就是對象，三維就是實體對象的空間結(jié)構(gòu)。三維建模就是對空間實體對象的結(jié)構(gòu)建模。

全息就是空間實體對象的表面的光譜屬性信息及其內(nèi)部地球物理屬性信息(如電性、磁性、音頻等)。

全息三維就是空間實體對象的表面光譜特性信息及其內(nèi)部的地球物理特性信息。

全息三維有4個特點：

1)真實化：更精細、更精確、更真實；

2)智能化：全自動智能化生產(chǎn)，自動建立全息三維，突破多要素自動分類提取的難題；

3)結(jié)構(gòu)化：分層、分類要有結(jié)構(gòu)性，而且管理到實體；

4)高效化：實現(xiàn)效率提高，一測多用，應用范圍大大拓寬。

3.2迅捷聯(lián)測的概念與內(nèi)涵

近年來，測繪技術與地球物理探測技術都取得重大進步：三維激光掃描技術、高光譜成像技術、瞬變電磁探測技術、多波束掃描測深技術等新技術的發(fā)展較大地緩解了大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)需求。但是，還存在著以下不足：

三維激光掃描技術能快速獲取高密度激光點云，從而能解算出實體對象的空間三維姿態(tài)，但是不能獲取目標的光譜屬性信息，也不能獲取實體對象內(nèi)部地球物理特征信息；高光譜成像技術能獲取實體對象的光譜屬性信息，但是不能快速得到空間目標的三維姿態(tài)，也不能獲取實體對象內(nèi)部地球物理特征信息；三維激光掃描與大幅面數(shù)字相機積木式綜合集成能解決同步獲取實體對象的三維姿態(tài)和光譜屬性，探索復合聯(lián)測的技術路線，極大地提高同步聯(lián)測的效率，但是不能解決像元與激光點云精確匹配問題，精度提升困難，不能獲取實體對象內(nèi)部地球物理特征信息；地球物理探測技術能獲取實體對象地球物理屬性信息，但是存在鉆孔數(shù)據(jù)多解性問題，以及三維地質(zhì)建模與測繪數(shù)據(jù)精確匹配問題；船載激光掃描與多波束測深綜合集成技術能同步獲取江河、湖泊、潮間帶水下地形數(shù)據(jù)與岸上地形數(shù)據(jù)，但是如果岸邊環(huán)境惡劣則不能使用，且水際線附近數(shù)據(jù)品質(zhì)非常差；機載綠色激光能探測淺水域水下地形，也能探測岸上地形信息，但是由于藍綠激光波長在480～570 nm，存在光斑較大而造成精度差；高分辨率大幅面數(shù)據(jù)相機成像對于特定光學波段的偽裝目標不能識別，全波段高光譜成像能通過不同波段目標成像對比揭露偽裝，但是數(shù)據(jù)量大，且解算方法智能化效率仍需提高；移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能機器人設備是支撐真三維全矢量數(shù)字地球技術的物質(zhì)基礎，但是，基于點云特征智能提取的點云分類技術、三維矢量模型金字塔智能建模技術、海量不同尺度地表數(shù)據(jù)融合技術、智能自由凹邊界三角剖分技術、三維矢量模型智能拓撲一致分析技術、三維智能地質(zhì)建模技術仍是制約發(fā)展的瓶頸；缺少快速、簡潔、智能、同步、高效的數(shù)據(jù)獲取理論支撐，缺少同時獲取空(空中)、地(地下)、水(水下)、陸(地面)實體對象的技術措施；三維空間實體對象的光譜維屬性數(shù)據(jù)和地球物理特性數(shù)據(jù)基于時間序列演變的多維空間建模方法仍缺少理論基礎與支撐。

為了快速、簡潔、高效獲取海量全息三維數(shù)據(jù)，需要引入迅捷聯(lián)測的概念。迅捷就是全息三維數(shù)據(jù)獲取快速、簡潔、高效，數(shù)據(jù)要素自動分類提取，智能結(jié)構(gòu)建模。

聯(lián)測是相對傳統(tǒng)的專項勘測而言，是指一次勘測能同步獲取多類屬性的信息，即包括不同空間對象同類信息的同步獲取，如陸上地形信息與水下地形信息同步勘測的水陸聯(lián)測，也包括同一空間對象不同類信息的同步獲取，如同步獲取空間對象的三維空間結(jié)構(gòu)信息和光譜屬性信息的光譜聯(lián)測。

迅捷聯(lián)測是指快速、簡潔、高效、同步獲取多類屬性信息，數(shù)據(jù)要素自動分類提取，智能結(jié)構(gòu)建模。迅捷聯(lián)測有4個特點：

1)快速化：用動態(tài)探測技術替代靜態(tài)探測技術，借助高效探測平臺快速獲取實體對象全息三維數(shù)據(jù)；

3)簡潔化：數(shù)據(jù)采集無人化，數(shù)據(jù)處理自動化，數(shù)據(jù)建模智能化；

4)復合化：空地水陸多介質(zhì)立體空間、多目標實體對象一體化勘測。

4迅捷聯(lián)測方法與物理模型

為快速同步獲取空中、地面、地下和水下空間實體目標的空間姿態(tài)、光譜屬性和地球物理屬性信息，需采用迅捷聯(lián)測的勘測方法[3]，物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　迅捷聯(lián)測系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

圖2　激光高光譜共光路物理模型

4.2水陸聯(lián)測物理模型

機載雙頻激光雷達水陸聯(lián)測技術是利用機載激光器發(fā)射和接收藍綠和紅外激光，探測水底深度、水下目標和陸地地形的一種先進的遙測技術。雖然藍綠激光可以對陸地實施探測，但其頻率難以增加，降低了探測速度，而紅外激光可以快速對陸地實施探測，但無法穿透水體，因此，將兩者結(jié)合使用，可以實現(xiàn)水下和陸地的聯(lián)合快速探測[4]。機載水陸聯(lián)測原理如圖3所示。機載雙頻激光水陸聯(lián)測物理模型如圖4所示。

圖3　水陸聯(lián)測原理

4.3逆合成孔徑瞬變電磁探測物理模型

瞬變電磁探測利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中的二次感應渦流場，從而探測地下實體目標電阻率[5]，探測原理如圖5所示。地空瞬變電磁探測是在地面設置電磁發(fā)射源和空中探測平臺差分導航基站，運用空中平臺進行探測[6]，其物理模型如圖6所示。

圖4　機載雙頻激光水陸聯(lián)測物理模型

圖5　逆合成孔徑瞬變電磁探測原理

圖6　逆合成孔徑瞬變電磁探測物理模型

5全息三維數(shù)學模型

5.1構(gòu)建海量數(shù)據(jù)集合

5.1.1構(gòu)建海量激光雷達@多波束點云數(shù)據(jù)集合

激光雷達@多波束測深系統(tǒng)獲取的均為實體目標表層高密度點云數(shù)據(jù)，用于描述實體目標的空間姿態(tài)。

設實體對象空間姿態(tài)點云的集合為o，則：

互聯(lián)網(wǎng)的興起造就了電子商務時代，并改變了人們?nèi)粘５纳罘绞?，包括溝通方式、娛樂方式、購物方式、支付方式、學習方式等。2017年8月中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心（CNNIC）發(fā)布第42次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》顯示：“截至2018年6月，中國網(wǎng)民規(guī)模達到8.02億，占全球網(wǎng)民總數(shù)的五分之一，互聯(lián)網(wǎng)普及率為57.7%，超過全球平均水平；互聯(lián)網(wǎng)為代表的數(shù)字技術正在加速與經(jīng)濟社會各領域深度融合，成為促進我國消費升級、經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型、構(gòu)建國家競爭新優(yōu)勢的重要推動力。”①

(1)

o為激光點云集合；Ni為第i點的點號；xi,yi,zi為第i點空間坐標。

5.1.2建立高光譜數(shù)據(jù)集合

高光譜數(shù)據(jù)有BSQ、BLP以及BIP三種格式。BSQ高光譜數(shù)據(jù)為ik(xi,yi,rk,Gk,Bk,k,α)(1≤k≤L，1≤xi≤M，1≤yi≤M)表示第k波段空間位置為(xi,yi)的像素(rk,Gk,Bk)，其中L為波段數(shù)，M與N分別為波段的高度與寬度，α為反射系數(shù)。

設BSQ高光譜數(shù)據(jù)集合為i，則：

(2)

(3)

設rU,V表示波段U與V之間的相互關系數(shù)，則

(4)

5.1.3構(gòu)建地下實體目標鉆孔數(shù)據(jù)集合

地下實體目標的地球物理屬性數(shù)據(jù)包括密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)，通常通過研制物理性質(zhì)的差異為基礎來確定其類別。物理性質(zhì)數(shù)據(jù)由采集手段確定。

逆合成孔徑地空瞬變電磁探測地下介質(zhì)獲取的數(shù)據(jù)：地面坐標，深度，衰減時間，電阻率。

設地下實體目標鉆孔數(shù)據(jù)集合為j，則：

(5)

5.2創(chuàng)建全矢量三維數(shù)字表面模型

1)激光點云與高光譜數(shù)據(jù)融合。激光與光譜數(shù)據(jù)融合流程如圖7所示，融合方法如下：

步驟1：處理GPS和IMU數(shù)據(jù)，將GPS和IMU數(shù)據(jù)與事件記錄文件對應，找出飛行試驗段的GPS數(shù)據(jù)，并對應到激光測點處；

步驟2：根據(jù)內(nèi)部時間記錄，對GPS+IMU數(shù)據(jù)、編碼器數(shù)據(jù)、激光測量數(shù)據(jù)進行同步化和配準，將坐標和姿態(tài)數(shù)據(jù)差值到每個點云數(shù)據(jù)中；

步驟3：根據(jù)內(nèi)部時間記錄，對GPS+IMU數(shù)據(jù)、CCD數(shù)據(jù)進行同步化和配準，將坐標和姿態(tài)數(shù)據(jù)差值到每個CCD像元數(shù)據(jù)中；

步驟4：通過坐標和姿態(tài)，將激光測點與CCD像元進行配準；

步驟5：合并和生成三維高光譜點云數(shù)據(jù)。

圖7　激光與高光譜數(shù)據(jù)融合方法

2)全矢量三維數(shù)字表面模型。全矢量三維數(shù)字表面模型是針對現(xiàn)有以DEM+DOM為核心的數(shù)字平臺存在的缺陷，實現(xiàn)海量的、激光點云、線、面構(gòu)成的全矢量三維模型的動態(tài)加載、顯示、漫游、縮放的數(shù)字平臺。矢量三維數(shù)字表面模型平臺具有的核心功能：動態(tài)加載、顯示、漫游、縮放、瀏覽海量矢量三維不規(guī)則三角網(wǎng)地表模型；支持在三維地球不規(guī)則地表上實現(xiàn)實時切割與開挖分析；支持在三維地球顯示任意海量電力線路走廊的三維矢量點云數(shù)據(jù)；支持實現(xiàn)三維地球上動態(tài)加載顯示任意線路的三維電力線路及鐵塔矢量模型；支持實現(xiàn)三維地球地表模型與影像的半透明顯示；支持在三維地球上進行三維地質(zhì)剖面建模與顯示；支持在三維地球上顯示三維矢量文字、矢量標注與矢量CAD圖形等；支持在三維地球上進行水流動、下雨、冒煙、起火等自然景觀三維仿真模擬；支持在三維地球不規(guī)則三角網(wǎng)地表模型上進行各種局部點或子區(qū)域的變形實時顯示、仿真分析等。因此，全矢量三維數(shù)字表面模型是全新的三維數(shù)字平臺技術，將推進三維數(shù)字地球平臺技術在各行業(yè)的數(shù)字化、可視化應用領域取得實質(zhì)性的進展。

5.3創(chuàng)建三維智能地質(zhì)模型

圖8　用邊界層表示地質(zhì)模型圖

在地質(zhì)分層表面模型上疊加DEM和DOM數(shù)據(jù)，采用同樣的方法，可以對地表模型與地下地質(zhì)模型疊加。若地表模型和地下地質(zhì)模型采用同樣的坐標參數(shù)，則只要將兩數(shù)據(jù)統(tǒng)一導入到一個展示平臺，系統(tǒng)將自動實現(xiàn)無縫拼接；若地表模型和地下地質(zhì)模型采用的是不同的坐標參數(shù)，通常在地質(zhì)模型生成初，將其對應的鉆孔數(shù)據(jù)，按照影像數(shù)據(jù)的坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標參數(shù)下，三維智能地質(zhì)模型效果如圖9所示。

圖9　三維智能地質(zhì)模型

6勘測效能評估

6.1勘測效能模型

本文利用指數(shù)法研究全息三維聯(lián)測方法效能。由于勘測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能具有相似性，因此根據(jù)工程物理學中的相似理論與量綱分析，建立度量勘測系統(tǒng)內(nèi)部效能指數(shù)的白金漢方程。該方程具有如下形式：

(6)

其中：C為常系數(shù)，iKC表示勘測系統(tǒng)內(nèi)部效能指數(shù)，各π項是由量綱分析導出的準則方程。這些準則是由勘測系統(tǒng)的各種物理參數(shù)通過代數(shù)符號聯(lián)結(jié)成的無因次參數(shù)群。

在勘測系統(tǒng)指數(shù)分析中，影響勘測效能的因素主要有：勘測時間、安全性、勘測人數(shù)和勘測效果。從綜合反映勘測系統(tǒng)能力角度考慮，影響勘測指數(shù)的主要因素有：勘測時間(SJ )、勘測效果(XG )、安全性(AQ )、勘測人數(shù)(RS )。在影響因素排序上，勘測效果與勘測速度并重，勘測人員使用與勘測時間影響安全性，通過量綱分析及專家分析，勘測系統(tǒng)指數(shù)的數(shù)學模型如下：

(7)

6.2試驗數(shù)據(jù)與對分析

試驗條件：某區(qū)域正面寬度8 000 M，5 M等深線以淺至陸地縱深800 M，總面積6.4 km2的區(qū)域，水質(zhì)清澈，符合藍綠激光測深要求。

6.2.1常規(guī)勘測方法

勘測人數(shù)：27人，陸上勘測18人，水下勘測9人；

勘測時間：采用電子速測技術，運用無幅站勘測模式，分成3個小組，勘測速度1 km2/H，數(shù)據(jù)實時處理，總體勘測時間：6.5 H；

勘測效果：人工測量精度較高，地圖精度能達到10分米；

安全性：人工現(xiàn)地作業(yè)，安全性低。

6.2.2全息三維聯(lián)測方法

勘測人數(shù)：飛行控制1人，地面站1人，駕駛員1人，共3人；

勘測時間：勘測高度350 M，勘測寬度280 M，按800 M縱深，規(guī)劃3條航線能覆蓋全域。飛行速度180 km/H，勘測時間約20 min；試驗時缺少數(shù)據(jù)實時處理軟件，人工數(shù)據(jù)處理增加了3 H；

勘測效果：差分定位@慣性測量復合導航，測量精度在30 cm，陸地紅外激光測量能達到每平方米10～20點，水下測量由于藍綠激光光斑較大，測量點云密度較低，點云密度能能達到2～4點/M2，地圖比例尺能達到1∶1 000，地圖分辨率：0.1 m，這個密度經(jīng)過數(shù)據(jù)處理能識別水下目標，基本滿足使用要求。

安全性：采用無人化作業(yè)模式，安全性高。

6.3勘測效能評估計算

常規(guī)勘測方法iKCCG計算結(jié)果

C·300.4400.1/650.3810.2=0.698 8C

(8)

基于迅捷聯(lián)測的全息三維聯(lián)測方法iKCQX計算結(jié)果

(9)

通過常規(guī)勘測指數(shù)與三維全息聯(lián)測指數(shù)對比，計算得出勘測效能評價指數(shù)。

(10)

即：采用基于迅捷聯(lián)測三維全息聯(lián)測方法比常規(guī)勘測方法效能提高2.584 6倍。

7結(jié)語

運用全息三維能準確描述實體對象的空間結(jié)構(gòu)、表面光譜特性及其內(nèi)部的地球物理特性信息，同地面模型相比較，描述更精細、更真實；運用迅捷聯(lián)測的勘測方法能快速、簡潔、高效、同步獲取多類屬性信息，勘測效率有很大的提高。通過東山島海域機載雙頻激光雷達水陸聯(lián)測實驗、南京治山的地空探測實驗、孟津黃河白鶴段的船載水陸聯(lián)測實驗，以及在南京開展的激光高光譜聯(lián)測試驗，驗證了全息三維聯(lián)測具有可行性。當前的全息三維聯(lián)測水平同專項勘測相比較效能提高到2.584 6倍，未來仍有較大提升空間?？梢哉f，全息三維迅捷聯(lián)測是互聯(lián)網(wǎng)+時代對大數(shù)據(jù)強烈需要和發(fā)展的產(chǎn)物，是未來勘測方法的發(fā)展方向。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：付成群，方亮，謝立軍，等.基于迅捷聯(lián)測的全息三維聯(lián)測方法[J].兵器裝備工程學報，2016(5):123-128.

Citation format:FU Cheng-qun,FANG Liang,XIE Li-jun,et al.Method of Three-Dimension Holographic Joint Survey Based on Quick Joint Survey[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):123-128.

Method of Three-Dimension Holographic Joint Survey Based on Quick Joint Survey

FU Cheng-qun,FANG Liang,XIE Li-jun,WANG Yong

(Engineering Institute of Engineering Corps,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Abstract:To quickly acquire and reproduce the attitude,stratification,classification and its internal geophysical characteristics of the space entity object,on the basis of the three basic assumptions,this article introduced the concept and content of holographic three dimension simultaneous surveying,and it discussed the airborne dual frequency lidar scanning technology,laser-hyperspectral common path technology and transient electromagnetic underground and airborne detecting technology in theory,and the quick joint survey physical models and three dimension holography mathematical models were established,and it discussed airborne and overland simultaneous surveying technology,submarine and overland simultaneous surveying technology and holographic three-dimensional modeling in the application.The theory and method of airborne and overland simultaneous surveying,spectral simultaneous surveying,submarine and overland simultaneous surveying,underground and airborne detecting are closely related on the detection method,and are complement to each other in the detecting object,thus forming a three-dimensional holographic joint measurement method.

Key words:three dimension holography; quick joint survey; physical model; mathematical model

doi:【信息科學與控制工程】10.11809/scbgxb2016.05.030

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2015-12-15

基金項目：國家863計劃項目資助(2014AA7042011)

作者簡介：付成群(1975—)，博士，副教授，主要從事工程偵察與指控研究。

通信作者：方亮(1983—)，工程師，主要從事測繪工程和戰(zhàn)場感知研究。

中圖分類號：E917

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0123-06