基于多源數據融合的典型海島三維形貌表征方法研究

曹超 蔡鋒 吳劍 陳慶輝 鄭勇玲 吳承強

摘要：隨著海島開發利用和基礎設施建設的頻繁，高效、精準地獲取海島形態基礎數據就顯得尤為迫切。三維地形地貌探測和構建技術的日臻完善，及時解決了海島基礎勘測時間長、效率低、精度小的問題。文章通過三維激光掃描和無人機航測手段，全覆蓋掃描廣西小廟墩（炮臺口）海島表面形態，結合RTK-DGPS實測驗證和近景攝影測量，獲取海島實景，運用Geomagic Studio和Smart3D等軟件，構建典型海島三維數字高程模型（DEM），融合多源數據和海島實景，還原海島高精度仿真三維形態。為高精度勘測海島提供有效手段，為海島基礎地理信息獲取、地質災害識別和生態環境修復提供基礎數據支撐。

關鍵詞：海島;多源數據;三維形貌;融合;情景識別

Abstract：With the development and utilization of islands and the frequent construction of infrastructure，it is particularly urgent to obtain the basic data of island form efficiently and accurately.The improvement of the three-dimensional topographical feature detection and construction technology has solved the problem of long island exploration time，low efficiency and low precision.In this paper，through the three-dimensional laser scanning and unmanned aerial vehicle aerial survey，the full coverage of the surface pattern of the small temple pier in Guangxi，combined with RTK-DGPS measurement verification and close-range photogrammetry，to obtain the island real scene，using software such as Geomagic Studio and Smart3D，construct a typical island three-dimensional digital elevation model，combine multi-source data and island real scene，and restore the high-precision simulation three-dimensional shape of the island.It provided an effective means for high-precision survey of islands，and provided basic data support for island-based geographic information acquisition，identification of geological disasters and restoration of ecological environment.

Keywords： Island，Multivariate data，3D geomorphology，Fusion，Scene recognition

0 引言

海島是人類開發海洋的遠涉基地和前進支點，是海洋的第二經濟區，在國土劃界和國防安全上也有特殊重要地位[1]。我國海島94%屬于無居民海島，它們大多面積狹小，地域結構簡單，環境相對封閉，生態系統構成也較為單一，生物多樣性指數小，穩定性差，生態脆弱性顯著[2]。隨著海島開發利用和基礎設施建設的頻繁，高效、精準地獲取海島形態基礎數據就顯得尤為迫切。三維地形地貌探測和構建技術的日臻完善，解決了海島基礎勘測時間長、效率低、精度小的問題。通過遙感、無人機航拍、三維激光掃描等精細探測手段對典型海島進行三維形態掃描，構建島陸和島灘立體式、系統性三維可視化形貌模型，為海島基礎地理測繪提供第一手資料，為進一步研究海島地質災害識別、生態環境修復以及權益海島資源監測提供技術支持，為我國海島資源的健康、穩定和可持續發展提供科學依據。

本研究選取位于欽州市犀牛腳鎮烏雷村東南的小廟墩作為研究對象。因島上設有古炮臺，又近烏雷嶺又名烏雷炮臺。海島長約198 m，寬約81 m，島陸面積約0.006 km2，海岸線長約507 m。最高點位于海島中部偏南，高約7.7m（N21°35.9′，E108°44.4′），距大陸最近距離為366 m。海島呈彎月形，NW—SE走向，東北面為內灣，西南面為外灣，中間高，兩頭低。小廟墩為基巖海島，基底由紅色火山巖構成，出露地層為侏羅紀中侏羅統。臨岸為低丘，屬于侵蝕—剝削低丘臺地。東南部為基巖海岸，其余部分多為礫石質海岸，其中南面是巖灘和礫石灘，北端有部分沙灘及沙礫混合灘，呈南部侵蝕、北部淤積的狀況[3]。

1 數據融合方法

1.1 數據采集

多源數據融合最大的“瓶頸”在于數據的時效性和統一性，不同類型的數據由于受到衛星過境時間、氣候環境以及自身條件的影響，很難做到在同一時間尺度內，這就給多源數據的融合、應用、分析和研究帶來了障礙和“瓶頸”，在一定程度上制約了結果的可信度和科學性。無人機平臺、站載式三維激光掃描儀等系統由于其靈活和機動性的優勢，彌補了這個難題，能夠最大程度上保證空間數據時效的統一性，即：獲取的多源數據可以都處于同一時間內，增加了不同數據間的關聯性，大大提升了多源數據綜合分析、研究的可信度和科學性。但由于無人機平臺受到自身荷載的局限，無法搭載大型、沉重的傳感器設備，以及如何保持續航時間、維持飛行控制和導航系統的穩定性、地面控制以及數據傳輸等一系列技術問題都制約著無人機遙感技術的發展[4-6]。通過無人機搭載輕薄的數碼照相機作為光學傳感器為主，來獲取實時高清航拍圖片。聯合站載式三維激光掃描儀進行融合、分析和應用（圖1），實現同一時間尺度上多源數據的獲取，對多源數據來進行海島地質災害體動態監測和協同識別研究。

本研究采用美國Trimble公司的固定翼無人機（UAV）作為遙感數據獲取平臺，獲取空間分辨GSD達厘米級的航拍圖像（最大抗風能力達18 m/s），滿足海島特殊自然環境條件，能夠保證快速、穩定、安全的飛行。經過廠家校正和改進的SONY單反數碼相機（NEX-5T）作為高分辨率圖像傳感器，獲取圖像的空間分辨率GSD（依據飛行高度）可達2.4～24 cm。

采用Trimble公司的TX8三維激光掃描儀采集典型海島地形數據（空間點云信息）。對于平緩的地形條件下，通過提取完整波形數據，對波形進行變換和濾波、噪聲處理、平滑和擬合;在復雜地形條件下，引入偏度平衡算法對空間點云進行濾波，通過計算點云的偏度（SK），并與峰度（KU）相比較，區分出地面點和非地面點，分別生成DEM和DSM，再計算兩者之間的差值得到CHM[7]。

1.2 數據處理

利用Trimble Realworks軟件處理、分析、管理海島多源數據集（點云數據格式）。實現量測平距、斜距、垂距、凈空、直徑、角度、方位角、坡度、傾角和坐標等一系列數據拼接、融合、統一。利用點云自動配準功能、生成點云配準數據云圖（圖2）。

2 海島三維形態建模與表征

2.1 實體影像貼膜

利用3D MAX的box構建物體的三維模型，然后將人工拍攝的照片對應相應地物進行紋理顏色貼圖。但對于海島數據來說，島上的特征地物島礁石、細小沙粒等物體的體積小，數量多，以此種形式耗費的人力物力較多，且無法保證最終建出的模型精度。而且分塊貼圖不同物體的銜接部分不易處理，容易出現顏色轉變突兀的情況，失去真實感。因此，為解決融合過程中出現的失真問題，我們引入Smart3D。Smart3D可以利用普通照片快速為各種類型的細微形貌生成高精度的現狀三維模型，能快速創建細節豐富的三維實景模型，小到幾厘米的物體，大到整個城市，只受限于照片的分辨率，而生成的三維模型的精細程度沒有限制。但海島的面積較大，無人機采集數據的速度快，但是分辨率達不到島礁石紋理清晰的程度，而人工手動拍攝分辨率可以保證，但在保證重疊率的情況下工作量較大，實行困難[8-9]。

因此，我們優化3D MAX、Smart3D、Geomagic Studio軟件，自動建模和人工甄別相結合，構建典型海島三維形貌模型。

2.2 海島三維形貌模型構建

掃描得到的數據在Trimble Realworks中進行拼接成整幅的點云數據;Geomagic Studio用點云數據進行模型封裝，得到的白模如圖3所示。

利用TX8掃描得到精細點云數據，導入Geomagic Studio中進行模型封裝，對于不能閉合的地方進行手動填補。融合無人機拍攝的圖片進行空三解算，軟件通過后方交會的算法確定每個地物的特征點，自動識別相鄰的點，匯集到一起得到點云數據，利用得到的點云數據自動構建mesh網格，將無人機拍攝的影像生成的正射圖貼合到白模中，從而得到三維模型[10-11]。

2.3 海島三維形貌表征

利用TX8掃描點云數據，在Geomagic Studio中生成較高精度的白模，無人機拍攝的三維影像在UASMaster中生成整幅正射影像，利用Global Mapper將正射影像與白模相結合生成最終的三維模型。具體影像如圖4所示。

通過多源數據的融合，有效表征小廟墩島陸、島灘形態特征，真實還原其植被、地物特性。其構建的海島三維模型分辨率大、精度高，為下一步海島開發利用和生態環境保護提供基礎數據。

3 結語

（1）無人機影像平臺和三維激光掃描儀協同采集地面數據，既獲取真實的光學影像數據，又高效獲取高精度三維矢量數據，兩種數據融合后，生成三維可視化模型，為還原大區域（海島）、小地物（微細地貌、海蝕孔穴）等復雜場景的真實原貌提供有效手段。

（2）通過TX8掃描數據導入Geomagic Studio中生成白模，結合無人機影像數據在UASMaster中生成正射影像，在Global Mapper中將正射影像圖融合到白模上面形成高精度典型海島三維形態模型。突破了以往用3D MAX以及Smart3D等直接利用單一手段進行建模的傳統思維，不僅提高空間精度，又提高了建模效率。

參考文獻

[1] 吳亞楠，吳國偉，武賀，等.海島海洋能應用需求和發展建議探討[J].海洋開發與管理，2017，34（9）：39-44.

[2] 谷海燕.海島生態墓地建設開發的可行性研究與探析[D].濟南：山東大學，2011.

[3] 中國海島志編輯委員會.中國海島志（廣西卷）[M].北京：海洋出版社，2014.

[4] 謝年，向煜，徐艇偉.基于規則的快速三維建模技術研究[J].城市勘測，2013（4）：5-8.

[5] 杜來紅，陳樺，房亞東.基于特征的三維建模技術的研究[J].中國制造業信息化，2004（5）：108-110.

[6] 段文華，許慶領.傾斜攝影實景三維模型的質量控制分析[J].地理空間信息，2017（11）：93-95.

[7] 趙耀紅.面向地學過程的三維動態仿真技術研究[D].長春：吉林大學，2004.

[8] 義崇政，廉光偉，付海龍，等.三維地形實體模型自動建模技術研究[J].測繪地理信息，2017，42（3）：29-33.

[9] 劉小標.三維地物模型與多尺度地形融合方法研究[D].北京：中國測繪科學研究院，2014.

[10] 海青，沈忱.三維激光掃描儀在特殊地貌測量中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（3）：181-184.

[11] 錢建國，趙軍武，唐為剛，等.三維激光掃描儀獲取的數據處理與應用研究[J].礦山測量，2009（6）：44-47.