災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模仿真

蘇晨琛，劉海硯

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

1 引言

中國(guó)地緣遼闊，國(guó)土總面積約為960萬平方千米，僅次于俄羅斯、加拿大，居世界第3位。在這廣闊的地域中，地形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、多樣，因此我國(guó)具有很多地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，如滑坡易發(fā)區(qū)、泥石流易發(fā)區(qū)、山體崩塌易發(fā)區(qū)、地面塌陷易發(fā)區(qū)、地裂縫易發(fā)區(qū)、地面沉降易發(fā)區(qū)等。這些地區(qū)一旦發(fā)生災(zāi)害，不僅帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重威脅了人們的生命安全。為此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害易發(fā)區(qū)地質(zhì)地形變化態(tài)勢(shì)，對(duì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和降低損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前通常依據(jù)三種工具實(shí)現(xiàn)災(zāi)害易發(fā)區(qū)地質(zhì)地形變化特征建模分析。一是在GIS的基礎(chǔ)上進(jìn)行可變地形特征三維建模，其原理是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析等，為三維建模提供數(shù)據(jù)支撐，從而實(shí)現(xiàn)地形特征建模分析[2]。二是在地形微變遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行可變地形特征三維建模，其原理是利用步進(jìn)頻率連續(xù)波和合成孔雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維建模[3]。其三是利用機(jī)載攝影機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建二次曲面擬合模型，對(duì)LiDAR地形數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)三維建模的一種方法[4]。上述三種建模方法，雖然都比較簡(jiǎn)便、快捷，但是由于均采用單點(diǎn)采集方式，很難反應(yīng)可變地形的全部特征，導(dǎo)致建模精度受到影響，從而造成災(zāi)害區(qū)可變特征建模效果較差。

針對(duì)上述問題，本次在三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模研究。利用三維激光掃描儀采集災(zāi)區(qū)地形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并以“點(diǎn)云”的數(shù)據(jù)形式儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，然后在計(jì)算機(jī)當(dāng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)處理好的數(shù)據(jù)繪制線、面、體，實(shí)現(xiàn)“實(shí)景復(fù)制”，建立地形的三維模型[5]。為驗(yàn)證本建模方法的有效性，進(jìn)行仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：與三種傳統(tǒng)可變地形特征三維建模方法相比，利用基于三維激光掃描儀的災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征建模方法能夠獲取較好的可變地形特征模型，逼真度較高，與真實(shí)結(jié)果更為接近。由此可見，本建模方法精度較高，達(dá)到了本次研究的目的。

2 基于三維激光掃描系統(tǒng)的地形特征三維建模

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指具備地質(zhì)災(zāi)害(山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等)發(fā)生條件(地質(zhì)構(gòu)造、氣候、地形地貌)的區(qū)域[6]。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域危險(xiǎn)性極高，因此對(duì)其地形特征建模分析十分必要。

三維激光掃描系統(tǒng)的災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模方法主要分為三個(gè)步驟：

步驟1：按照毫米級(jí)采樣間隔，利用三維激光掃描系統(tǒng)獲取災(zāi)害易發(fā)區(qū)地形地貌特征圖像；

步驟2：對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行處理，包括信號(hào)放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換、圖像去噪處理；

步驟3：根據(jù)處理好的圖像數(shù)據(jù)建立地形三維模型。

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)獲取災(zāi)害區(qū)地形圖像數(shù)據(jù)

三維激光掃描系統(tǒng)是一種新型的三維航空遙感技術(shù)，三維激光掃描系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)、GPS(全球定位系統(tǒng))、IMU(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))、CCD攝像機(jī)、PC機(jī)以及其它附件組成。

1)激光雷達(dá)是通過發(fā)射激光束來探測(cè)目標(biāo)狀態(tài)特征的一種雷達(dá)系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)為激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、磁盤陣列、信息處理系統(tǒng)、中心控制芯片等，基本運(yùn)行思路如下：由激光發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖激光，當(dāng)脈沖激光信號(hào)打到災(zāi)害易發(fā)區(qū)地表上時(shí)，脈沖激光會(huì)發(fā)生散射作用，其中一部分激光信號(hào)會(huì)被光學(xué)接收機(jī)采集到，最后依據(jù)脈沖測(cè)距法計(jì)算，就可得到從激光雷達(dá)到地面的距離。如此循環(huán)往復(fù)的掃描災(zāi)害易發(fā)區(qū)地表，就可確定地表上全部目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)[7]。

在上述激光雷達(dá)運(yùn)行中，脈沖測(cè)距法是關(guān)鍵，其原理是通過比較激光信號(hào)從發(fā)射到反射完成的時(shí)間差，來計(jì)算激光雷達(dá)到災(zāi)害易發(fā)區(qū)地表的距離，其原理公式如下：

(1)

公式中，Y為激光雷達(dá)到災(zāi)害易發(fā)區(qū)地表的距；v為脈沖激光傳播速度；Δt為時(shí)間差。

2)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過陀螺的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，從而根據(jù)加速度對(duì)導(dǎo)航時(shí)間進(jìn)行積分，并把導(dǎo)航積分時(shí)間變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，則可計(jì)算出載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置，如下圖1所示[8]。

圖1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本工作原理

3)CCD攝像機(jī)

CCD攝像機(jī)作用是采集災(zāi)害易發(fā)區(qū)地形地貌的影像信息，目的是通過影像信息輔助數(shù)據(jù)信息建立真實(shí)、直觀、逼真的三維特征模型。

2.2 可變地形圖像處理

在上述圖像采集結(jié)束后，并不能直接用于三維建模，還需要進(jìn)行進(jìn)一步處理，才能保證后續(xù)建模精度。在這里主要處理內(nèi)容如下：電壓信號(hào)放大、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換以及圖像去噪處理。

1)電壓信號(hào)放大

光學(xué)接收機(jī)在散射信號(hào)的采集過程中，部分信號(hào)會(huì)受到環(huán)境因素的影響被削弱，這會(huì)導(dǎo)致建模數(shù)據(jù)缺失，所以需要利用放大器對(duì)其進(jìn)行放大，增大信號(hào)的電壓幅度或功率[9]。

2)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換

電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換主要通過電壓轉(zhuǎn)換器完成，其作用是將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換成(4～20)mA或(1～5)V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，其電路組成如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換器電路組成

3)圖像去噪處理

利用CCD攝像機(jī)采集到的災(zāi)害易發(fā)區(qū)可變地形地貌圖像會(huì)受到設(shè)備或周圍環(huán)境影響，使得圖像質(zhì)量降低，最終影響建模的清晰度。目前圖像去噪技術(shù)有均值濾波、中值濾波、維納濾波等[10]。在這里采用均值濾波來完成圖像去噪，其原理是用某一像素鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值取代該像素原來的灰度值，原理公式如下：

(2)

公式中，G(x，y)為去噪后的圖像；f(x，y)為原始圖像；(x，y)為圖像中的像素點(diǎn)；z為領(lǐng)域集合；m為領(lǐng)域集合內(nèi)坐標(biāo)總數(shù)。

2.3 繪制地形特征三維模型

在上述兩個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后，開始正式進(jìn)入災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模實(shí)現(xiàn)階段。該階段的任務(wù)主要有三個(gè)：可視化映射，即將上述得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖形要素(點(diǎn)、線、面)；進(jìn)行三維圖形繪制，即依據(jù)上述得到的幾何圖形要素按照數(shù)字高程模型將其轉(zhuǎn)換成三維立體圖像[11]。這一過程較為復(fù)雜，可以借助相關(guān)軟件來完成，如OpenGL、GEOVRML等。三維模型顯示，即將建立好的地形三維立體模型在特定的窗口系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)輸出。下圖3為災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模實(shí)現(xiàn)流程。

圖3 可變地形特征三維建模實(shí)現(xiàn)流程

地形三維立體建模過程中，其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是選擇合理地形模型結(jié)構(gòu)類型。而在選擇合理地形模型結(jié)構(gòu)類型時(shí)，不得不提到數(shù)字高程模型，該模型英文簡(jiǎn)稱DEM，它是對(duì)自然地理空間中動(dòng)態(tài)地理現(xiàn)象模型化表達(dá)和模擬，其定義用數(shù)學(xué)原理描述如下

DEM={pj，Hj，a，Ki∈S}

(3)

其中，Ki為點(diǎn)云連接的線、面集合；S為選定的災(zāi)害易發(fā)區(qū)；pj為內(nèi)插點(diǎn)；a為點(diǎn)云連接規(guī)則；Hj為連續(xù)函數(shù)。

當(dāng)點(diǎn)云連接規(guī)則a為正方形網(wǎng)格時(shí)，就形成一種地形模型結(jié)構(gòu)，即規(guī)則格網(wǎng)地形建模(見圖4)。其基本思路如下：在保證建立的網(wǎng)格是有序、規(guī)則且等大的前提下，利用網(wǎng)格的行列可以計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的具體三維坐標(biāo)，并與此同時(shí)，記錄每個(gè)網(wǎng)格所在地區(qū)的平均高程，最后運(yùn)用OpenGL或GEOVRML，在插值算法的應(yīng)用下，與CCD攝像機(jī)采集到的災(zāi)害易發(fā)區(qū)可變地形地貌圖像相結(jié)合，即可完成地形三維特征建模。

圖4 規(guī)則格網(wǎng)

當(dāng)點(diǎn)云連接規(guī)則a為三角形網(wǎng)格時(shí)，就形成一種互不交叉、互不重疊的三角形網(wǎng)格，即不規(guī)則三角格網(wǎng)地形建模(見圖5)，其基本思路如下：不同于上述點(diǎn)云的規(guī)則分布，該種形式下，其點(diǎn)云的布局方式為不規(guī)則排列，所以連接成網(wǎng)格時(shí)，需要在某種規(guī)則的引導(dǎo)下與臨近點(diǎn)進(jìn)行連接，由此可形成大小不宜，但疏密的三角型網(wǎng)格，以此來模擬地形變化。

圖5 不規(guī)則三角格網(wǎng)

在上述兩種模型結(jié)構(gòu)類型中，較為常用的是后者，因?yàn)椴灰?guī)則的三角形網(wǎng)格擁有非常好的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性質(zhì)，所以對(duì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征的模擬能夠更加接近真實(shí)地形形態(tài)，三維建模精度更高。

除了以上模型結(jié)構(gòu)類型合理選擇這一關(guān)鍵點(diǎn)之外，在建模時(shí)另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是選擇三維可視化實(shí)現(xiàn)工具。三維可視化實(shí)現(xiàn)工具是地形三維模型建立完成后的動(dòng)態(tài)輸出窗口，很大程度能夠影響模型最后的呈現(xiàn)效果。

當(dāng)前三維可視化工具主要有兩種：OpenGL和GEOVRML。其中，OpenGL是定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口規(guī)格的專業(yè)的圖形程序接口。它廣泛應(yīng)用于三維圖像，是一個(gè)功能強(qiáng)大、調(diào)用方便的底層圖形庫，其主要負(fù)責(zé)的范圍為坐標(biāo)變換、光照和材質(zhì)支持、紋理映射、圖像增強(qiáng)等。GEOVRML，中文為地理虛擬建模語言，其工作原理是通過虛擬建模語言，即VRML，來進(jìn)行地形地貌描述，目的是讓用戶通過一個(gè)在Web瀏覽器安裝的標(biāo)準(zhǔn)VRML插件來瀏覽地理參考數(shù)據(jù)、地圖以及三維地形模型。最大優(yōu)勢(shì)在于能夠支持多種坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)精度更高、三維建模功能更加強(qiáng)大、代碼開放、易于集成、交互能力強(qiáng)大。

3 仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)

敘永縣是四川瀘州下轄縣，位于四川盆地南緣，屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，全年平均溫度17.9℃，降雨量1172.6毫米，地貌多為中山、低山，地勢(shì)由東南向西北傾斜，羅漢林為最高，海拔1902米，境北江門峽谷為最低海拔247米。2018年12月10日，敘永縣發(fā)生滑坡災(zāi)害，為人民帶來了嚴(yán)重生命財(cái)產(chǎn)損失。本次仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)就以該地區(qū)的可變地形為研究對(duì)象，進(jìn)行模型逼真度測(cè)試。原始地形圖為下圖6所示。

圖6 原始地形圖

現(xiàn)在按照正文中的流程進(jìn)行操作，其得到的示意圖如下圖7所示。

圖7 建模結(jié)果示意圖

為保證本次測(cè)試結(jié)果的有效性，利用基于GIS的可變地形特征三維建模方法、基于地形微變遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可變地形特征三維建模方法、基于機(jī)載攝影機(jī)的可變地形特征三維建模方法進(jìn)行再次建模，最后并協(xié)同圖7(d)與圖6的原始圖片進(jìn)行逼真程度對(duì)比，結(jié)果如下表1所示。

表1 四種方法下可變地形特征三維模型逼真度

從表1中可以看出，四種災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形特征三維建模方法中，本文方法運(yùn)行下，建立的地形三維立體模型與真實(shí)山地圖像逼真度最高，達(dá)到96.5%，比三種傳統(tǒng)可變地形特征三維建模方法分別提高6.1%、5.3%和8.2%。由此可見，本次研究的建模方法性能更好。

4 結(jié)束語

綜上所述，在自然以及人為因素的影響下，不可避免的會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大威脅，因此實(shí)時(shí)對(duì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)大場(chǎng)景可變地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的，在監(jiān)測(cè)過程中，可變地形建模是一項(xiàng)重要工作。本文設(shè)計(jì)一種基于三維激光掃描系統(tǒng)的可變地形特征三維建模方法。該方法最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用三維激光掃描系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高，因而建模的逼真程度更高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法存在的不足。