基于迅捷聯測的全息三維聯測方法

付成群，方　亮，謝立軍，王　勇

(解放軍理工大學 野戰工程學院，南京　210007)

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基于迅捷聯測的全息三維聯測方法

付成群，方亮，謝立軍，王勇

(解放軍理工大學 野戰工程學院，南京210007)

摘要：為快速獲取和實現再現空間實體對象的姿態、分層、分類以及其內部地球物理特性，在3個基本假設的基礎上，引入了全息三維聯測的概念與內涵，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，并建立了迅捷聯測物理模型和全息三維數學模型，在應用上論述了空陸聯測技術、水陸聯測技術和全息三維建模方法;空地聯測、光譜聯測、水陸聯測、地空探測等聯測理論與方法，在探測方法上密切關聯，在探測對象上互相補充，從而形成了全息三維聯測方法。

關鍵詞：全息三維;迅捷聯測; 物理模型; 數學模型

1問題提出

為解決高密度、高精度空間海量數據的快速獲取問題，選用綜合集成了激光掃描儀、大幅面數字相機、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境數據是有效措施。激光掃描可快速獲取高精度環境數據，但缺乏光譜特征數據，揭露偽裝能力弱；高光譜具有識別偽裝目標優勢，但識別目標屬性受限制，將兩者結合可以解決空間目標的精確定位和屬性識別等問題。發展高光譜和激光聯合測量是必然之路。高光譜-激光雷達共光路聯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測，發展水陸聯測系統成為必然選擇[1]。水陸聯測解決了地表和水下目標同步聯測問題，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。

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

2基本假設

1)實體對象在空間上具有姿態、分層、分類的結構性和內部的地球物理特性，光學可見的實體對象具有光譜特性，地下介質實體目標只能探測空間姿態和地球物理屬性數據，不能獲取光譜屬性數據；

2)地面和空中可見光實體對象由其空間維結構信息和光譜維屬性信息進行逆向精細建模再現，必要時增加內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構信息和其內部地球物理屬性信息經反演推斷確定。

3全息三維聯測概念與內涵

3.1全息三維的概念與內涵

過去的三維往往只有3層，不具備結構化，因此不能叫全息。具備結構化，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構。三維建模就是對空間實體對象的結構建模。

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，自動建立全息三維，突破多要素自動分類提取的難題；

3)結構化：分層、分類要有結構性，而且管理到實體；

4)高效化：實現效率提高，一測多用，應用范圍大大拓寬。

3.2迅捷聯測的概念與內涵

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展較大地緩解了大數據時代的數據需求。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，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，也不能獲取實體對象內部地球物理特征信息；三維激光掃描與大幅面數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和光譜屬性，探索復合聯測的技術路線，極大地提高同步聯測的效率，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，但是存在鉆孔數據多解性問題，以及三維地質建模與測繪數據精確匹配問題；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、潮間帶水下地形數據與岸上地形數據，但是如果岸邊環境惡劣則不能使用，且水際線附近數據品質非常差；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；高分辨率大幅面數據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，但是數據量大，且解算方法智能化效率仍需提高；移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、智能機器人設備是支撐真三維全矢量數字地球技術的物質基礎，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據融合技術、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、三維智能地質建模技術仍是制約發展的瓶頸；缺少快速、簡潔、智能、同步、高效的數據獲取理論支撐，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據和地球物理特性數據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據，需要引入迅捷聯測的概念。迅捷就是全息三維數據獲取快速、簡潔、高效，數據要素自動分類提取，智能結構建模。

聯測是相對傳統的專項勘測而言，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構信息和光譜屬性信息的光譜聯測。

迅捷聯測是指快速、簡潔、高效、同步獲取多類屬性信息，數據要素自動分類提取，智能結構建模。迅捷聯測有4個特點：

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

3)簡潔化：數據采集無人化，數據處理自動化，數據建模智能化；

4)復合化：空地水陸多介質立體空間、多目標實體對象一體化勘測。

4迅捷聯測方法與物理模型

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、光譜屬性和地球物理屬性信息，需采用迅捷聯測的勘測方法[3]，物理結構如圖1所示。

圖1　迅捷聯測系統物理結構

圖2　激光高光譜共光路物理模型

4.2水陸聯測物理模型

機載雙頻激光雷達水陸聯測技術是利用機載激光器發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，將兩者結合使用，可以實現水下和陸地的聯合快速探測[4]。機載水陸聯測原理如圖3所示。機載雙頻激光水陸聯測物理模型如圖4所示。

圖3　水陸聯測原理

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全息三維數學模型

5.1構建海量數據集合

5.1.1構建海量激光雷達@多波束點云數據集合

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

設實體對象空間姿態點云的集合為o，則：

互聯網的興起造就了電子商務時代，并改變了人們日常的生活方式，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月中國互聯網絡信息中心（CNNIC）發布第42次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示：“截至2018年6月，中國網民規模達到8.02億，占全球網民總數的五分之一，互聯網普及率為57.7%，超過全球平均水平；互聯網為代表的數字技術正在加速與經濟社會各領域深度融合，成為促進我國消費升級、經濟社會轉型、構建國家競爭新優勢的重要推動力。”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建立高光譜數據集合

高光譜數據有BSQ、BLP以及BIP三種格式。BSQ高光譜數據為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，M與N分別為波段的高度與寬度，α為反射系數。

設BSQ高光譜數據集合為i，則：

(2)

(3)

設rU,V表示波段U與V之間的相互關系數，則

(4)

5.1.3構建地下實體目標鉆孔數據集合

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

逆合成孔徑地空瞬變電磁探測地下介質獲取的數據：地面坐標，深度，衰減時間，電阻率。

設地下實體目標鉆孔數據集合為j，則：

(5)

5.2創建全矢量三維數字表面模型

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

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

步驟2：根據內部時間記錄，對GPS+IMU數據、編碼器數據、激光測量數據進行同步化和配準，將坐標和姿態數據差值到每個點云數據中；

步驟3：根據內部時間記錄，對GPS+IMU數據、CCD數據進行同步化和配準，將坐標和姿態數據差值到每個CCD像元數據中；

步驟4：通過坐標和姿態，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據。

圖7　激光與高光譜數據融合方法

2)全矢量三維數字表面模型。全矢量三維數字表面模型是針對現有以DEM+DOM為核心的數字平臺存在的缺陷，實現海量的、激光點云、線、面構成的全矢量三維模型的動態加載、顯示、漫游、縮放的數字平臺。矢量三維數字表面模型平臺具有的核心功能：動態加載、顯示、漫游、縮放、瀏覽海量矢量三維不規則三角網地表模型；支持在三維地球不規則地表上實現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據；支持實現三維地球上動態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則三角網地表模型上進行各種局部點或子區域的變形實時顯示、仿真分析等。因此，全矢量三維數字表面模型是全新的三維數字平臺技術，將推進三維數字地球平臺技術在各行業的數字化、可視化應用領域取得實質性的進展。

5.3創建三維智能地質模型

圖8　用邊界層表示地質模型圖

在地質分層表面模型上疊加DEM和DOM數據，采用同樣的方法，可以對地表模型與地下地質模型疊加。若地表模型和地下地質模型采用同樣的坐標參數，則只要將兩數據統一導入到一個展示平臺，系統將自動實現無縫拼接；若地表模型和地下地質模型采用的是不同的坐標參數，通常在地質模型生成初，將其對應的鉆孔數據，按照影像數據的坐標參數轉換為統一坐標參數下，三維智能地質模型效果如圖9所示。

圖9　三維智能地質模型

6勘測效能評估

6.1勘測效能模型

本文利用指數法研究全息三維聯測方法效能。由于勘測系統的結構及功能具有相似性，因此根據工程物理學中的相似理論與量綱分析，建立度量勘測系統內部效能指數的白金漢方程。該方程具有如下形式：

(6)

其中：C為常系數，iKC表示勘測系統內部效能指數，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的各種物理參數通過代數符號聯結成的無因次參數群。

在勘測系統指數分析中，影響勘測效能的因素主要有：勘測時間、安全性、勘測人數和勘測效果。從綜合反映勘測系統能力角度考慮，影響勘測指數的主要因素有：勘測時間(SJ )、勘測效果(XG )、安全性(AQ )、勘測人數(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，勘測系統指數的數學模型如下：

(7)

6.2試驗數據與對分析

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

6.2.1常規勘測方法

勘測人數：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，數據實時處理，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：人工現地作業，安全性低。

6.2.2全息三維聯測方法

勘測人數：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；試驗時缺少數據實時處理軟件，人工數據處理增加了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，這個密度經過數據處理能識別水下目標，基本滿足使用要求。

安全性：采用無人化作業模式，安全性高。

6.3勘測效能評估計算

常規勘測方法iKCCG計算結果

C·300.4400.1/650.3810.2=0.698 8C

(8)

基于迅捷聯測的全息三維聯測方法iKCQX計算結果

(9)

通過常規勘測指數與三維全息聯測指數對比，計算得出勘測效能評價指數。

(10)

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

7結語

運用全息三維能準確描述實體對象的空間結構、表面光譜特性及其內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測實驗，以及在南京開展的激光高光譜聯測試驗，驗證了全息三維聯測具有可行性。當前的全息三維聯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。可以說，全息三維迅捷聯測是互聯網+時代對大數據強烈需要和發展的產物，是未來勘測方法的發展方向。

參考文獻：

[1]付成群,律秀原,王勇.機載激光雷達海洋探測的模擬研究[J].系統仿真學報,2015,27(5):1038-1043.

[2]李貅,張瑩瑩.地空瞬變電磁系統的發展歷程與新進展[C].2014年中國地球科學聯合學術年會-專題24：淺地表地球物理進展論文集,北京：出版地不詳，2014.

[3]付成群,律秀原,王勇.水陸視景快速聯測系統[J].四川兵工學報,2013,182(9):82-85.

[4]付成群,宮云祥,余勤,等.低空高分辨率水陸視景聯測系統[C]//第十五屆海峽兩岸地貌學研討會，南寧：出版地不詳，2014.

[5]戚志鵬.瞬變電磁三維合成孔徑延拓成像方法研究[D].西安：長安大學,2011.

[6]姚偉華,趙威,李貅,等.基于兩層含水采空區瞬變電磁場數值模擬的擬地震偏移成像[J].物探與化探,2015,39(1):125-131.

(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：付成群，方亮，謝立軍，等.基于迅捷聯測的全息三維聯測方法[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