物探脈沖波的三維定位及增強配色方法

錢承軍,林海,胡川,丁圳祥

(1.一汽(南京)科技開發有限公司,江蘇 南京 211100; 2.南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019;3.重慶交通大學智慧城市學院,重慶 400074)

0 引 言

地球物理勘探簡稱物探,其通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質構造等地質條件[1],是一種發展迅速、快速高效且精準度很高的工程勘查技術和無損檢測技術。通過量測物理場的分布和變化特征,結合已知地質資料進行分析研究,就可以達到推斷地質性狀的目的。

常用的勘探方法包括重力勘探、瞬變電磁勘探、三維電法勘探、三維地質雷達勘探、地震勘探、地溫法勘探和核法勘探。應選用綜合物探技術,使其相互補充和驗證,發揮各檢測方法的優勢,提高勘測精度和作業效率[2-5]。

目前物探雷達及配套設備最后輸出的結果都是通過實測每條探測線的脈沖波,獲取每條線的切片圖或者是剖面圖,圖片配色不可更改[6];圖片之間不連續,且不可編輯。根據多個圖片推測考古地下的構造和走向非常復雜。此外,根據平面結果推測立體構造存在偏差,可視化程度不高。處理軟件靈活性不高,增加了維護成本。

本文提出一種物探脈沖波數據的空間定位及增強配色的靶向定位方法,實現對脈沖波數據進行高程修正,對靶向區域強度重新進行RGB(RGB色彩模式,指紅Red、綠Green、藍Blue三種顏色通道)值配色,及真實準確地還原實際探測地下空間。

1 研究現狀

目前,物探技術已經被廣泛運用于高速公路質量檢測[7]、橋梁加固工程、地下管線檢查[8-9]、工程地質勘探、公路深層病害自動識別[10],以及考古勘探[11-13]等項目。我國早已將物探技術應用于秦始皇帝陵的物探考古項目中[14]。

對物探雷達數據解譯一般是非直觀的,需要有相當的專業知識能力才能將脈沖波數據轉換成清晰易于分辨的圖像和工程決策數據[15]。為了更好地實現數據可視化,劉杰等通過面向對象方法,將物探考古數據與遙感數據、地信數據集成到GIS系統中[16];羅宏偉等利用亮度和飽和度兩個分量增強了地震屬性數據的梯度分布和局部差異性,增強了地震屬性圖像的信息量[17]。

考古項目中普遍地運用探地雷達對考古現場的疑似位置和范圍進行前期探測,通過物探數據的異常信號與發覺后的實際位置比對驗證,不僅為考古發掘工作提供基礎資料,也為后期開展相關工作積累經驗與技術。探測目的是通過物探數據反映的異常信號與發掘后的實際位置比對驗證,確定探地雷達方法對古代地下墓葬結構探測的有效性,為后期開展相關工作積累經驗。

2 功能設計

本文面向可視化地展現物探脈沖波地靶向定位需求,提供了對物探脈沖波的強度屬性值,進行三維空間配色地增強方案,將探測雷達數據強度信息轉換為可視化的彩色點云,增強了物探數據的直觀表達。通過對靶向區域的顏色顯示,可以讓用戶從點云的角度重點查看探測結果,對點云數據進行特定靶向定位分析,進而實現考古項目開挖前的無損探測等要求,為后期開挖提供有效支持。

2.1 原始數據

(1)采集數據

涉及物探脈沖波數據的空間定位及增強配色的靶向定位方法,原始輸入數據包括不同型號物探雷達采集的物探脈沖波數據(包括瞬變電磁探測儀、三維電法探測儀和三維地質雷達探測儀采集的數據)、色帶文件、配色色帶對應的脈沖波的強度區間、物探雷達測量時采集的GNSS衛星定位數據等。

(2)輸出數據

程序處理輸出數據包括:修正雷達數據的顏色值、強度值和高程值;輸出LAS點云文件;輸出點云顏色對照表及統計日志。

2.2 GNSS定位數據修正設計

將GNSS衛星接收機采集的每條測線的GNSS衛星定位數據,進行Gauss-Kruger3°帶投影,轉換為高斯投影平面坐標,以修正物探脈沖波數據中的相對坐標信息,從而得到探測位置的實際坐標,便于與地形圖或影像圖等數據進行融合。

2.3 強度區間配色處理

(1)強度區間轉換到0-255強度區間

首先計算物探脈沖波測量數據中的強度區間,計算最大最小強度值,計算實際強度區間,然后將其分配到[0,255]區間內,如式(1)。重新分配強度值,使其在合適的范圍內,顯示出靶向區域。

(1)

其中,INewi指根據強度區間換算出的新的強度值,IOldmax指實際強度區間的最大值,IOldmin指實際強度區間的最小值,IOldi指待計算的原始強度值,255為[0,255]區間的長度值。

(2)強度區間轉換到0-255 RGB區間

根據原始強度值與255的倍數關系,如果除以255的商大于等于1,則B值為255;如果商小于1,則B值為余數;同理,對于商與255的倍數關系,適配R值,余數與255的關系,適配G值;使得原始數據能夠顯示出彩色范圍。

(3)強度區間轉換到自定義色帶范圍

色帶文件(如圖1)每一行為一種顏色,支持RGB顏色值和十六進制顏色碼,色帶區間設置為至少1種。根據總共設定的顏色值區間以及讀取的雷達探測波數據的強度區間進行適配,使不同強度點呈現不同的顏色。可以是漸變顏色,也可以是明暗反差對比色,可替換不同的漸變色,反應地下空間真實布局走向。

圖1 色帶文件示例

根據總共設定的顏色值區間以及讀取的雷達探測波數據的強度區間進行適配,使不同強度點呈現不同的顏色。色帶區間大小反映了脈沖波數據呈現數據的精細程度,顏色越多,呈現出的細節也越多。根據色帶顏色區間范圍進行適配,可靈活定制。因此,也可以針對靶向區域,設定特定的顏色值,使得靶向區域表現更細膩、更明顯。

2.4 LAS點云輸出

根據每條探測線的相對位置關系或者絕對位置(采集了GNSS衛星定位數據)關系,可以得到每個采集位置的坐標,將這每個點上的位置形成坐標值,并將前面根據脈沖波強度值轉換的強度或顏色值,寫入到點云信息中,保存為通用格式的LAS點云文件,便于點云處理軟件展示和讀取。

2.5 輸出配色結果和配色對照文件

通過配色對照文件,用戶可了解物探脈沖波數據總體情況及各強度對應的顏色值。配色結果包括總結、強度值按最大最小強度值區間統計和強度與顏色對照表。根據配色結果,對于感興趣的區域,可重復步驟配色過程,再次設定強度范圍,選擇配色方案,重點顯示特定區域。多次重復后,即可分別顯示各靶向區域。

物探脈沖波數據的空間定位及增強配色的靶向定位方法總體流程如圖2所示:

圖2 物探脈沖波三維靶向定位及增強配色方法總體流程

3 程序實現與項目實踐

3.1 原始數據讀入

(1)讀取物探數據

考古探測過程中會同時使用多種物探探測儀,以對地形結構進行冗余探測,保證探測結果的可靠性。因此,需要對各種探測儀的格式(如圖3所示)進行兼容,保證數據均可讀入。

圖3 不同類型物探儀采集地脈沖波數據格式

不論何種探測儀,所獲取的均是每條測線每個位置點的坐標(X、Y、Z)信息及反射強度(intensity)信息。所以直接讀取所采集的脈沖波數據文件,即可將原始數據轉存入多個點信息數組中。

(2)讀取GNSS衛星定位數據

物探儀配套的GNSS衛星接收機保存的定位數據文件有兩種格式:“*.cor”格式和“*.gps”格式,分別如圖4所示:

圖4 GNSS衛星定位數據格式

提取緯度、經度和大地高信息,存入定位信息數組中,并將原始經緯度坐標投影至高斯3°帶,轉換為平面坐標,并更新原始脈沖波數據中的相對位置坐標為絕對位置坐標(高斯投影平面坐標),具體流程如圖5所示。

圖5 讀取GNSS定位數據流程

3.2 脈沖波點列轉換

對讀取的脈沖波點進行讀入,根據記錄的定位深度與實際探測深度是否有偏差,對采集的深度值進行常數修正;根據用戶選擇的配色方案,分別對脈沖波數據中的強度信息值進行轉換。若配色方案為方案一,則僅僅將原始強度區間轉換為[0,255]區間內的強度值;若配色方案為方案二,則將原始強度值分配到RGB字段上,每個字段(R、G、B)區間為[0,255];若配色方案為方案三,則最終點云RGB值是將脈沖波探測點的強度值分配到用戶設置的RGB色帶區間內,然后更新到脈沖波點列數據中,能夠通過用戶設定的不同顏色區間,通過不同色彩展現不同強度的視覺表現。具體流程如圖6所示。

圖6 修正高程及增強配色流程

三種方案均可以將脈沖波探測數據的強度值轉換為對應區間的強度值,方案一將強度值映射到指定區間[0,255]內,轉換之后地強度值范圍可控;而方案二可以根據強度值,進行紅綠藍(RGB)3個顏色通道的轉換,轉換之后原始強度值變為3通道顏色信息,能夠通過顏色豐富地表現強度信息,該轉換為系統轉換,用戶不可更該;方案三,則可以根據用戶自定義色帶轉換原始強度值,使得強度值能夠通過不同的顏色通道區間進行表現,從而多方面展現目標區間的形態特征。

3.3 脈沖波數據轉換為點云

經過相對位置修正為GNSS衛星定位的絕對位置后,對于每個物探點的點信息,通過LASTools點云庫提供的接口,先創建一個LAS點云文件,創建文件頭,包括點數,版本等信息,再依次將每個物探點信息轉換為LAS點信息,存入LAS點云文件中,直至所有點保存完畢(如圖7所示)。

圖7 輸出LAS點云流程

3.4 日志輸出設計

為了凸顯出靶向區域,因此脈沖波數據轉換為點云后會輸出脈沖波雷達數據強度與顏色對照表,統計出實際強度值的額區間范圍,并展示強度值與配置的顏色值對照表,從而能夠根據可視化的點云靶向區域和輸出的強度-顏色配置關系,重新選擇更合適的色帶生成新的點云,對靶向區域用更明顯的顏色加以增強,更有重點地突出靶向區域。

本文方法開發基于Qt5.12.5平臺,開發語言采用C++,LAS版本采用1.2,色帶文件采用通用的文本格式。

以南京市五佰村地塊的考古勘探項目為例進行測試,依據確定的幾處疑似位置,選取4號墓墓室區域獲取的雷達信號,對其進行傳統物探信號分析(如圖8所示),同時將脈沖波信號轉換為三維點云數據進行三維可視化,配置多條色帶增強配色,進行關鍵區域靶向定位,與后期發掘后傾斜攝影測量模型比對,雷達異常信號集中區域與發掘后的墓室形態、位置和走向基本一致(圖8),驗證了在地下水位較低條件下,探地雷達強度區間增強配色的靶向定位方法對墓室夯土層、磚石墓室的探測是可行的。

圖8 增強配色立面成果及4號墓-第九條測線處理及現場對比

4 結 語

本文方法適用于瞬變電磁探測儀、三維電法探測儀和三維物探探測儀三種探測儀采集到脈沖波數據,可改正因探測時儀器設置等問題導致的不準確測深,對于三維物探探測儀,還能將采集到WGS84經緯度坐標進行高斯投影后改正脈沖波數據的相對坐標,使得數據具有絕對坐標,更能顯示脈沖波數據實際地理位置。可實現自定義式色帶配置,根據用戶需要,特定強度區間顯示特定色帶,靶向定位更明顯,配置更簡單,不用修改源程序,靈活多變。

轉換后的點云顯示效果特別顯著,清晰、立體地顯示出探測結果,對于靶向定位有著很好的展示作用,靶向定位還可單獨設置色帶進行特殊顏色表達,更加細致地展示靶向區域。

結合實際南京五佰村考古現場發掘過程,采用了可視化物探脈沖波轉換后的增強配色點云數據,可以在無開挖情況下,清晰地展現古代墓葬遺址現場的墓室空間位置、走向、細節尺寸及出土器物分布等,為后期挖掘提供指導依據。結合無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描等新型測繪技術,通過獲取的三維模型、激光點云等實景三維數據,進行高精度空間定位的翔實記錄,為后期遺址保護、文物建檔修復、發掘過程溯源和其他相關研究提供了三維數字化的基礎資料。