遙感圖像三維可視化在低空磁測(cè)飛行輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

任雨，朱谷昌，，張建國(guó)，張遠(yuǎn)飛，孫莎莎

(1.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410083；2.有色地調(diào)中心，北京 100012)

1 引 言

隨著遙感技術(shù)、GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)的發(fā)展，三維可視化技術(shù)已初步應(yīng)用在地貌研究、地質(zhì)勘探、礦山監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害防治等地學(xué)領(lǐng)域[1-4]。動(dòng)力滑翔機(jī)航磁勘查系統(tǒng)是將動(dòng)力滑翔機(jī)與國(guó)內(nèi)研制的磁測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合而研發(fā)的一種低空磁測(cè)新技術(shù)，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在高原、沙丘、森林、湖泊等磁法極難進(jìn)行的地區(qū)。將三維可視化技術(shù)與動(dòng)力滑翔機(jī)航磁勘查系統(tǒng)相結(jié)合，為飛行路線(xiàn)的設(shè)計(jì)做輔助，對(duì)于低空航磁勘查工作的順利開(kāi)展具有很大的幫助。

多寶山銅礦區(qū)位于黑龍江省黑河市嫩江縣北部，屬大興安嶺成礦帶北段沼澤坡積物覆蓋地區(qū)，地形以低山丘陵為主，大部分土地屬荒地和叢林。該地區(qū)屬森林沼澤景觀區(qū)，氣候及環(huán)境較為復(fù)雜，在該地區(qū)開(kāi)展低空磁測(cè)工作對(duì)于飛機(jī)起降場(chǎng)地的選擇、飛行環(huán)境、飛行時(shí)間都有更高的要求。本文主要研究?jī)?nèi)容為建立多寶山地區(qū)三維遙感影像模型，根據(jù)測(cè)線(xiàn)設(shè)計(jì)航線(xiàn)并制作模擬飛行的三維動(dòng)畫(huà)，為利用動(dòng)力滑翔機(jī)航磁勘查系統(tǒng)在森林沼澤景觀區(qū)進(jìn)行大比例尺低空航磁勘查提供決策支持。

2 技術(shù)路線(xiàn)

本次研究采用的原始數(shù)據(jù)包括Landsat-7 ETM+遙感影像數(shù)據(jù)和國(guó)家地理信息中心發(fā)布的1∶250000數(shù)字地形圖，遙感圖像處理使用的軟件為PCI 8.2，生成三維遙感模型及實(shí)現(xiàn)模擬飛行使用的軟件是ArcGIS 10。研究過(guò)程主要分為5部分：①利用遙感圖像處理軟件將多波段遙感數(shù)據(jù)融合，使融合后的遙感圖像能夠清楚的反映地物分布情況；②在GIS平臺(tái)上利用數(shù)字等高線(xiàn)生成DEM模型，直觀展示工作區(qū)地形地貌；③將遙感影像與DEM模型疊加到ArcScene中，生成三維遙感影像模型；④在三維模型中添加公里格網(wǎng)和工作區(qū)范圍，選取不同視角導(dǎo)出多幅工作區(qū)三維遙感影像圖，為低空磁測(cè)工作部署提供參考；⑤將測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量文件疊加到模型中，設(shè)計(jì)航線(xiàn)實(shí)現(xiàn)模擬飛行，生成三維動(dòng)畫(huà)并以視頻格式導(dǎo)出。

圖1 總體流程圖

3 影像處理

3.1 遙感圖像預(yù)處理

遙感圖像預(yù)處理的過(guò)程包括幾何精校正、配準(zhǔn)、圖像鑲嵌與裁剪、去云及陰影處理等過(guò)程。本次研究選區(qū)的遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)大氣校正、輻射校正等前期的影像預(yù)處理工作。在本次工作中利用1∶5萬(wàn)地形圖，進(jìn)行了幾何校正，并根據(jù)工作區(qū)范圍，完成影像裁剪。

3.2 遙感圖像增強(qiáng)處理

3.2.1 波段融合

IHS變換融合法作為一種最常用的波段融合方法，能夠顯著提高多光譜影像空間分辨率和清晰度，極大地豐富影像的地面信息。本次研究利用IHS變換融合法實(shí)現(xiàn)了7、5、4多光譜波段與第8波段(全色波段)融合。

3.2.2 反差增強(qiáng)

反差增強(qiáng)是指增大對(duì)比度的方法，是遙感圖像增強(qiáng)處理的主要手段。反差增強(qiáng)的目的是使圖像色彩更豐富，地物特征更明顯，對(duì)比度更高。通過(guò)對(duì)線(xiàn)性拉伸、高斯拉伸、平方根拉伸、直方圖匹配、直方圖均衡化等幾種拉伸方法得出的結(jié)果做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)直方圖均衡化效果較好，適應(yīng)于本次研究。

圖2 處理后的遙感影像

4 DEM數(shù)據(jù)生成

數(shù)字高程模型(DEM)是一組表示地面高程的有序數(shù)值陣列，主要的表示模型包括：規(guī)則格網(wǎng)模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)、等高線(xiàn)模型。不規(guī)則三角網(wǎng)是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來(lái)表示地形地面。TIN既是矢量結(jié)構(gòu)又有柵格的空間鋪蓋特征，能很好地描述和維護(hù)空間關(guān)系。從表達(dá)地形信息的角度來(lái)看，TIN模型的優(yōu)點(diǎn)在于能以不同層次的分辨率來(lái)描述地形表面。與規(guī)則格網(wǎng)模型相比，TIN模型在某一特定分辨率能用更少的空間和時(shí)間更精確的表達(dá)復(fù)雜的表面。特別是當(dāng)?shù)匦伟写罅刻卣魅鐢嗔丫€(xiàn)、構(gòu)造線(xiàn)時(shí)，TIN模型能更好地顧及這些特征從而能更精確地表達(dá)地表形態(tài)。[4-5]

生成不規(guī)則三角網(wǎng)DEM模型的方法為：在ArcGIS軟件的3D Analyst擴(kuò)展模塊中，使用數(shù)字等高線(xiàn)創(chuàng)建TIN模型，并將TIN模型經(jīng)柵格轉(zhuǎn)換生成DEM柵格數(shù)據(jù)，柵格格式的DEM可實(shí)現(xiàn)與圖像文件疊合。利用ArcMap中的裁剪工具，選擇shape格式的工作區(qū)邊界框文件作為掩膜，即可將DEM數(shù)據(jù)按工作區(qū)范圍裁剪。

5 三維可視化的實(shí)現(xiàn)

將經(jīng)過(guò)處理的遙感影像與DEM數(shù)據(jù)在ArcScene平臺(tái)上疊加，即可生成三維遙感影像模型。如圖5所示，三維遙感影像模型將工作區(qū)植被、水系、土壤覆蓋情況和地形起伏狀況清晰的反應(yīng)出來(lái)。同時(shí)，由于添加了公里格網(wǎng)和工作區(qū)范圍，方便了相關(guān)人員對(duì)磁測(cè)飛行工作進(jìn)行指導(dǎo)和部署。為方便野外工作使用，可選取不同的視角，導(dǎo)出多幅工作區(qū)三維遙感影像圖。在制作三維遙感影像模型的過(guò)程中，需要注意幾點(diǎn)問(wèn)題：①在ArcScene中設(shè)置遙感影像屬性過(guò)程中，如果影像的柵格分辨率與DEM分辨率差別過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)失真的效果；②通過(guò)調(diào)大垂直夸大因子可增強(qiáng)三維顯示效果，突出山尖和溝谷的起伏情況，滿(mǎn)足宏觀和微觀的不同顯示需要；③測(cè)區(qū)范圍和工作區(qū)范圍以矢量線(xiàn)文件導(dǎo)入，基本高度應(yīng)與DEM一致。

圖4 三維可視化遙感影像模型

6 模擬飛行

6.1 飛行標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)力滑翔機(jī)航磁勘查系統(tǒng)是將高精度氦光泵磁力儀、GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集、記錄、處理系統(tǒng)等安裝在動(dòng)力滑翔機(jī)上，在地面日變改正站和空-地聯(lián)系通信設(shè)備配合下，在測(cè)量地區(qū)上空按照預(yù)先設(shè)定的測(cè)線(xiàn)和高度對(duì)地下巖礦體的磁性響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。多寶山銅礦區(qū)地形較平緩，按地形條件分級(jí)在三級(jí)以下在該地區(qū)動(dòng)力滑翔機(jī)設(shè)計(jì)飛行高度為50m～70m，采用往返平飛方式，飛行速度80km/h～100km/h。每條測(cè)線(xiàn)實(shí)際飛行的航跡偏離預(yù)定測(cè)線(xiàn)位置的距離稱(chēng)為偏航距。按照航磁規(guī)范要求，大于1∶25000航磁測(cè)量，最大偏航距小于1/2主測(cè)線(xiàn)距。根據(jù)動(dòng)力滑翔機(jī)的特點(diǎn)，本次項(xiàng)目規(guī)定三級(jí)以下地形，平均偏航距小于1/10測(cè)線(xiàn)距，三級(jí)以上地形，平均偏航距小于1/5測(cè)線(xiàn)距，最大偏航距<33m(1/3測(cè)線(xiàn)距)。

6.2 設(shè)計(jì)航線(xiàn)與三維動(dòng)畫(huà)制作

ArcScene可通過(guò)導(dǎo)入路徑的方法生成模擬飛行的三維動(dòng)畫(huà)，具體步驟為：①啟用ArcScene中的3D編輯器，根據(jù)測(cè)線(xiàn)起始點(diǎn)的三維坐標(biāo)繪制飛行路徑；②在基本高度屬性框中根據(jù)飛行高度(50m～70m)設(shè)置飛行路徑偏移量，并按平均偏航距生成緩沖區(qū)；③打開(kāi)ArcScene中的動(dòng)畫(huà)制作模塊，在飛行路徑亮化顯示的狀態(tài)下選擇根據(jù)路徑生成動(dòng)畫(huà)，飛行速度和飛行方式等動(dòng)畫(huà)參數(shù)按項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。生成的三維動(dòng)畫(huà)視頻可單獨(dú)保存為asa或AVI文件。

圖5 模擬飛行截圖

7 應(yīng)用效果

低空磁測(cè)飛行包括測(cè)線(xiàn)飛行測(cè)量、磁補(bǔ)償飛行測(cè)量、質(zhì)量檢查線(xiàn)飛行測(cè)量和切割線(xiàn)測(cè)量，每種飛行方式均有其各自的飛行方法與飛行步驟。每架次飛行測(cè)量前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人都會(huì)下達(dá)任務(wù)給飛行員，包括地形特征、飛行高度、飛行方式、飛行位置示意圖，并將引航資料輸入飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)?；谌S遙感影像平臺(tái)，技術(shù)負(fù)責(zé)人員可迅速發(fā)現(xiàn)山尖、溝谷、沼澤覆蓋、森林茂密等飛行難度較大地區(qū)，根據(jù)三維動(dòng)畫(huà)顯示情況調(diào)整預(yù)設(shè)飛行路徑。本次研究共為203條測(cè)線(xiàn)飛行、一次補(bǔ)償飛行和一次切割線(xiàn)飛行設(shè)計(jì)路線(xiàn)生成三維動(dòng)畫(huà)。通過(guò)與以往工作方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以三維遙感技術(shù)為輔助進(jìn)行低空磁測(cè)飛行前期工作設(shè)計(jì)可以提高效率、減少人力物力的浪費(fèi)；并且，三維遙感模型的制作成本低，實(shí)用性較好，易于在其他工作區(qū)推廣。

8 結(jié)束語(yǔ)

(1)本次研究選取的1∶250000數(shù)字地形圖等高距為50m，密度較小，生成的DEM模型分辨率偏低，在工作區(qū)地形地貌細(xì)節(jié)顯示方面精度欠佳。如能結(jié)合高分辨率遙感影像(如QuickBird)和等高距10m以?xún)?nèi)的數(shù)字地形圖生成高精度三維模型，可以達(dá)到更好的顯示效果，模擬飛行動(dòng)畫(huà)也會(huì)更有實(shí)際指導(dǎo)意義。但是由于本次研究工作缺乏1∶5萬(wàn)地形圖數(shù)據(jù)及高分遙感影像，所以最終成果未能達(dá)到最好的顯示效果。

(2)在缺少前期研究資料的工作區(qū)，遙感技術(shù)是獲取未知區(qū)域地物信息的唯一手段。充分利用遙感數(shù)據(jù)，使用人機(jī)互動(dòng)的遙感地質(zhì)解譯方式，了解工作區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和地表覆蓋情況，對(duì)于磁測(cè)飛行工作計(jì)劃的制定具有很大幫助。

(3)本文僅是對(duì)三維遙感技術(shù)在低空磁測(cè)飛行輔助設(shè)計(jì)中的初步應(yīng)用做探討，該方法尚處于研究階段。下步研究擬利用ArcEngine二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)低空磁測(cè)飛行輔助設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)軟件，在三維遙感模型平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)直接導(dǎo)入Excel格式的測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)即可生成三維動(dòng)畫(huà)，提高工作效率，并能針對(duì)風(fēng)力的大小、地形的不同提供更多飛行方式的選擇，從而更好的為生產(chǎn)服務(wù)。

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