基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法

鄭 昕

(江蘇地質(zhì)測(cè)繪院, 江蘇 南京 211102)

0 引言

在地形分析中,往往需要對(duì)地形特征點(diǎn)進(jìn)行提取[1-2]。其中特征點(diǎn)包含鞍部點(diǎn)、山谷點(diǎn)、洼地點(diǎn)、山脊點(diǎn)、山頂點(diǎn)等[3-4]。只有精準(zhǔn)提取特征點(diǎn),才能精準(zhǔn)地標(biāo)識(shí)與提取地形特征線[5]。其中，關(guān)于山脊線和山谷線的提取研究對(duì)地形構(gòu)造線的確定有著重要意義。對(duì)于地形構(gòu)造線確定方法的研究,提出的方法眾多。如有學(xué)者提出基于形態(tài)幾何模擬技術(shù)的地形構(gòu)造線確定方法,通過對(duì)地理要素的形態(tài)分析,對(duì)區(qū)域進(jìn)行插值,構(gòu)造地形模型;還有學(xué)者提出基于圖像處理技術(shù)的地形構(gòu)造線確定方法,規(guī)則格網(wǎng)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)視為灰度圖像,高程值視為圖像灰度值,利用柵格數(shù)據(jù)圖像處理技術(shù)提取地形特征。由于這些現(xiàn)有方法存在圖層提取誤差較大的問題,因此，將無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)應(yīng)用在地形構(gòu)造線的確定中,提出一種基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法。

1 設(shè)計(jì)基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法

1.1 高程數(shù)據(jù)獲取

基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)獲取地形的高程數(shù)據(jù),也就是通過無人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取,該系統(tǒng)由地面監(jiān)測(cè)模塊、飛控模塊、無人機(jī)遙感模塊構(gòu)成[6]。利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行地形高程數(shù)據(jù)獲取的具體步驟如下:

(1)對(duì)無人機(jī)航行路線進(jìn)行規(guī)劃[7]。首先需要檢查相關(guān)內(nèi)容,包括分區(qū)最大高差、區(qū)域覆蓋情況等,然后才能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)航行路線進(jìn)行規(guī)劃[8]。需要對(duì)地面分辨率以及像片重疊度進(jìn)行驗(yàn)證。其中,地面分辨率的決定需要以測(cè)圖比例尺為依據(jù)[9]。地面分辨率的計(jì)算公式具體如下:

(1)

式中,H低代表最低點(diǎn)攝區(qū)高程;H代表與攝影基準(zhǔn)面相對(duì)的攝影航高;H基代表基準(zhǔn)面攝影高程;D低代表地面最低分辨率;a代表像元尺寸;f代表鏡頭焦距[10]。像片重疊度的計(jì)算公式具體如下:

(2)

式中,p代表攝區(qū)最高位置對(duì)應(yīng)的航向重疊度;q代表攝區(qū)最高位置對(duì)應(yīng)的旁向重疊度;H高代表最高點(diǎn)攝區(qū)高程;px代表設(shè)定的航向標(biāo)準(zhǔn)重疊度;qy代表設(shè)定的旁向重疊度[11]。在像片重疊度的驗(yàn)證中,需要將像片重疊度的控制在60%～80%;旁向重疊度控制在30%～60%。

(2)質(zhì)量控制點(diǎn)的布設(shè)，是以實(shí)際區(qū)域網(wǎng)為依據(jù)來布設(shè)圖像控制點(diǎn)。從以下四方面控制圖像控制點(diǎn)布設(shè)質(zhì)量:控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)、航飛分區(qū)與像控分區(qū)的對(duì)應(yīng)情況、布局方案的實(shí)際有效控制范圍、像控點(diǎn)的實(shí)際密度情況[12]。

(3)利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采集時(shí)要對(duì)無人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制,以獲取精確的地形高程數(shù)據(jù)[13]。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與轉(zhuǎn)化

對(duì)獲取的地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,具體步驟包括圖像灰度化、平滑處理、山輪廓提取以及將地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坡度數(shù)據(jù)[14]。

1.2.1圖像灰度化處理

使用的方法為加權(quán)平均法,具體計(jì)算公式如下:

f(x,y)=0.3R(x,y)+0.58G(x,y)+0.12B(x,y)

(3)

式中,f(x,y)代表灰度化后(x,y)處的圖像灰度值;R(x,y)代表色彩R的分量值;G(x,y)代表色彩G的分量值;B(x,y)代表色彩B的分量值[15]。

1.2.2平滑處理

使用的方法是中值濾波,具體計(jì)算公式如下:

(4)

式中,g(x,y)代表(x,y)這一像元點(diǎn)濾波過后的灰度值;Med{}表示中值函數(shù)；f(x,y)代表(x,y)這一像元點(diǎn)的灰度值;Windows代表窗口模板的實(shí)際大小[16]。

1.2.3山輪廓提取

所使用的方法為邊緣檢測(cè)算法,具體步驟如下:利用高斯函數(shù)實(shí)施影像的濾波操作;對(duì)梯度的方向和大小進(jìn)行計(jì)算;對(duì)梯度實(shí)施非極大值抑制;實(shí)施雙閾值處理。

將地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坡度數(shù)據(jù),所使用的算法為D8算法,具體公式如下:

(5)

式中,P代表兩個(gè)高程數(shù)據(jù)柵格間的坡降;Max()表示最大值函數(shù)；Z代表該點(diǎn)的高程數(shù)據(jù);Zi代表該點(diǎn)鄰域的八個(gè)柵格高程;i代表該點(diǎn)鄰域柵格;D代表兩個(gè)柵格單元的實(shí)際中心距離,當(dāng)柵格單元間是坐標(biāo)軸方向[17],則D的計(jì)算公式為

D=1×SCell

(6)

式中,SCell代表柵格。當(dāng)柵格單元間是對(duì)角線方向時(shí),D的計(jì)算公式為

(7)

則,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化結(jié)果具體如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化結(jié)果

1.3 地形構(gòu)造線確定

基于轉(zhuǎn)化后的坡度數(shù)據(jù)對(duì)地形構(gòu)造線進(jìn)行確定,具體步驟包括提取山脊線,然后通過反地形思想提取山谷線。

提取山脊線具體步驟如下:(1)基于轉(zhuǎn)化后的坡度數(shù)據(jù)對(duì)洼地進(jìn)行提取,以洼地深度、洼地面積等洼地屬性特征為依據(jù)初步識(shí)別真?zhèn)瓮莸?(2)通過美國陸地衛(wèi)星4～5號(hào)專題制圖儀影像對(duì)水體信息進(jìn)行提取,包括水壩、水庫等,并將其作為真洼地[18];(3)對(duì)提取的水體信息數(shù)據(jù)、洼地?cái)?shù)據(jù)、原始坡度數(shù)據(jù)實(shí)施綜合分析處理,利用填充、編程對(duì)偽洼地進(jìn)行補(bǔ)充并保留真洼地,獲取無洼地?cái)?shù)字高程模型;(4)以此為基礎(chǔ),對(duì)匯流累積量于水流方向的對(duì)應(yīng)矩陣進(jìn)行計(jì)算,通過柵格計(jì)算器對(duì)匯流累積量柵格的實(shí)際零值進(jìn)行計(jì)算,提取山脊線。

通過反地形思想提取山谷線,具體步驟如下:選擇較大的一個(gè)高程值,利用其與原始高程數(shù)據(jù)相減,獲取的結(jié)果與原始高程數(shù)據(jù)相反,即為提取的山谷線。由此,完成地形構(gòu)造線確定方法的設(shè)計(jì)。

2 地形構(gòu)造線確定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

選取江蘇連云港錦屏山某區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用引言所述的基于形態(tài)幾何模擬技術(shù)和基于圖像處理技術(shù)的地形構(gòu)造線,確定兩種傳統(tǒng)方法進(jìn)行作為對(duì)比組，利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)對(duì)獲取該研究區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 研究區(qū)的高程數(shù)據(jù)

在研究區(qū)域中選取7個(gè)控制點(diǎn),具體控制點(diǎn)分布如圖3所示。

控制點(diǎn)坐標(biāo)(X,Y,Z)的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)的具體數(shù)據(jù)

基于布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo),將將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坡度數(shù)據(jù),結(jié)果具體如圖4所示。

圖4 坡度圖

利用設(shè)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)地區(qū)進(jìn)行地形構(gòu)造線提取實(shí)驗(yàn)。獲取坡度為35.47°～51.47°時(shí)的圖層提取誤差數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性。

2.2 獲取結(jié)果分析

在坡度為35.47°～43.47°時(shí),基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法與基于形態(tài)幾何模擬技術(shù)、基于圖像處理技術(shù)的地形構(gòu)造線確定方法的圖層提取誤差實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

根據(jù)圖5的圖層提取誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在坡度為35.47°～43.47°時(shí),基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法的圖層提取誤差低于基于形態(tài)幾何模擬技術(shù)、基于圖像處理技術(shù)的地形構(gòu)造線確定方法的圖層提取誤差。

圖5 坡度35.37°～43.47°的圖層提取誤差實(shí)驗(yàn)

在坡度為43.47°～51.47°時(shí),三種實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如圖6所示。

通過圖6的圖層提取誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在坡度為43.47°～51.47°時(shí),三種實(shí)驗(yàn)方法中基于無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)的地形構(gòu)造線確定方法的圖層提取誤差最低。

圖6 坡度43.47°～51.47°的圖層提取誤差實(shí)驗(yàn)

由于設(shè)計(jì)方法結(jié)合了無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)對(duì)地形進(jìn)行分析,通過對(duì)地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坡度數(shù)據(jù),避免了傳統(tǒng)方法中因柵格單元未對(duì)準(zhǔn)坡降導(dǎo)致的圖層提取誤差大的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了高精度的地形構(gòu)造線提取。

3 結(jié)束語

本文提出將無人機(jī)影像和高程數(shù)據(jù)應(yīng)用在地形構(gòu)造線的確定中,通過無人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取高程數(shù)據(jù),并對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像灰度化、平滑處理、山輪廓提取,進(jìn)一步將地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為坡度數(shù)據(jù),提高了坡度數(shù)據(jù)的精度,實(shí)現(xiàn)了地形構(gòu)造線的高精度提取。對(duì)于地形構(gòu)造線提取精度的提升有很大幫助,為實(shí)際地形構(gòu)造分析提供了一定的理論依據(jù)。