物探脈沖波的三維定位及增強(qiáng)配色方法

錢承軍,林海,胡川,丁圳祥

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

0 引 言

地球物理勘探簡(jiǎn)稱物探,其通過研究和觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)的變化來探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件[1],是一種發(fā)展迅速、快速高效且精準(zhǔn)度很高的工程勘查技術(shù)和無損檢測(cè)技術(shù)。通過量測(cè)物理場(chǎng)的分布和變化特征,結(jié)合已知地質(zhì)資料進(jìn)行分析研究,就可以達(dá)到推斷地質(zhì)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(zhì)雷達(dá)勘探、地震勘探、地溫法勘探和核法勘探。應(yīng)選用綜合物探技術(shù),使其相互補(bǔ)充和驗(yàn)證,發(fā)揮各檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì),提高勘測(cè)精度和作業(yè)效率[2-5]。

目前物探雷達(dá)及配套設(shè)備最后輸出的結(jié)果都是通過實(shí)測(cè)每條探測(cè)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(xù),且不可編輯。根據(jù)多個(gè)圖片推測(cè)考古地下的構(gòu)造和走向非常復(fù)雜。此外,根據(jù)平面結(jié)果推測(cè)立體構(gòu)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(hù)成本。

本文提出一種物探脈沖波數(shù)據(jù)的空間定位及增強(qiáng)配色的靶向定位方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖波數(shù)據(jù)進(jìn)行高程修正,對(duì)靶向區(qū)域強(qiáng)度重新進(jìn)行RGB(RGB色彩模式,指紅Red、綠Green、藍(lán)Blue三種顏色通道)值配色,及真實(shí)準(zhǔn)確地還原實(shí)際探測(cè)地下空間。

1 研究現(xiàn)狀

目前,物探技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于高速公路質(zhì)量檢測(cè)[7]、橋梁加固工程、地下管線檢查[8-9]、工程地質(zhì)勘探、公路深層病害自動(dòng)識(shí)別[10],以及考古勘探[11-13]等項(xiàng)目。我國(guó)早已將物探技術(shù)應(yīng)用于秦始皇帝陵的物探考古項(xiàng)目中[14]。

對(duì)物探雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯一般是非直觀的,需要有相當(dāng)?shù)膶I(yè)知識(shí)能力才能將脈沖波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成清晰易于分辨的圖像和工程決策數(shù)據(jù)[15]。為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化,劉杰等通過面向?qū)ο蠓椒?將物探考古數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)、地信數(shù)據(jù)集成到GIS系統(tǒng)中[16];羅宏偉等利用亮度和飽和度兩個(gè)分量增強(qiáng)了地震屬性數(shù)據(jù)的梯度分布和局部差異性,增強(qiáng)了地震屬性圖像的信息量[17]。

考古項(xiàng)目中普遍地運(yùn)用探地雷達(dá)對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)的疑似位置和范圍進(jìn)行前期探測(cè),通過物探數(shù)據(jù)的異常信號(hào)與發(fā)覺后的實(shí)際位置比對(duì)驗(yàn)證,不僅為考古發(fā)掘工作提供基礎(chǔ)資料,也為后期開展相關(guān)工作積累經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)。探測(cè)目的是通過物探數(shù)據(jù)反映的異常信號(hào)與發(fā)掘后的實(shí)際位置比對(duì)驗(yàn)證,確定探地雷達(dá)方法對(duì)古代地下墓葬結(jié)構(gòu)探測(cè)的有效性,為后期開展相關(guān)工作積累經(jīng)驗(yàn)。

2 功能設(shè)計(jì)

本文面向可視化地展現(xiàn)物探脈沖波地靶向定位需求,提供了對(duì)物探脈沖波的強(qiáng)度屬性值,進(jìn)行三維空間配色地增強(qiáng)方案,將探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為可視化的彩色點(diǎn)云,增強(qiáng)了物探數(shù)據(jù)的直觀表達(dá)。通過對(duì)靶向區(qū)域的顏色顯示,可以讓用戶從點(diǎn)云的角度重點(diǎn)查看探測(cè)結(jié)果,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特定靶向定位分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)考古項(xiàng)目開挖前的無損探測(cè)等要求,為后期開挖提供有效支持。

2.1 原始數(shù)據(jù)

(1)采集數(shù)據(jù)

涉及物探脈沖波數(shù)據(jù)的空間定位及增強(qiáng)配色的靶向定位方法,原始輸入數(shù)據(jù)包括不同型號(hào)物探雷達(dá)采集的物探脈沖波數(shù)據(jù)(包括瞬變電磁探測(cè)儀、三維電法探測(cè)儀和三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀采集的數(shù)據(jù))、色帶文件、配色色帶對(duì)應(yīng)的脈沖波的強(qiáng)度區(qū)間、物探雷達(dá)測(cè)量時(shí)采集的GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等。

(2)輸出數(shù)據(jù)

程序處理輸出數(shù)據(jù)包括:修正雷達(dá)數(shù)據(jù)的顏色值、強(qiáng)度值和高程值;輸出LAS點(diǎn)云文件;輸出點(diǎn)云顏色對(duì)照表及統(tǒng)計(jì)日志。

2.2 GNSS定位數(shù)據(jù)修正設(shè)計(jì)

將GNSS衛(wèi)星接收機(jī)采集的每條測(cè)線的GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù),進(jìn)行Gauss-Kruger3°帶投影,轉(zhuǎn)換為高斯投影平面坐標(biāo),以修正物探脈沖波數(shù)據(jù)中的相對(duì)坐標(biāo)信息,從而得到探測(cè)位置的實(shí)際坐標(biāo),便于與地形圖或影像圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

2.3 強(qiáng)度區(qū)間配色處理

(1)強(qiáng)度區(qū)間轉(zhuǎn)換到0-255強(qiáng)度區(qū)間

首先計(jì)算物探脈沖波測(cè)量數(shù)據(jù)中的強(qiáng)度區(qū)間,計(jì)算最大最小強(qiáng)度值,計(jì)算實(shí)際強(qiáng)度區(qū)間,然后將其分配到[0,255]區(qū)間內(nèi),如式(1)。重新分配強(qiáng)度值,使其在合適的范圍內(nèi),顯示出靶向區(qū)域。

(1)

其中,INewi指根據(jù)強(qiáng)度區(qū)間換算出的新的強(qiáng)度值,IOldmax指實(shí)際強(qiáng)度區(qū)間的最大值,IOldmin指實(shí)際強(qiáng)度區(qū)間的最小值,IOldi指待計(jì)算的原始強(qiáng)度值,255為[0,255]區(qū)間的長(zhǎng)度值。

(2)強(qiáng)度區(qū)間轉(zhuǎn)換到0-255 RGB區(qū)間

根據(jù)原始強(qiáng)度值與255的倍數(shù)關(guān)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(shù);同理,對(duì)于商與255的倍數(shù)關(guān)系,適配R值,余數(shù)與255的關(guān)系,適配G值;使得原始數(shù)據(jù)能夠顯示出彩色范圍。

(3)強(qiáng)度區(qū)間轉(zhuǎn)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(jìn)制顏色碼,色帶區(qū)間設(shè)置為至少1種。根據(jù)總共設(shè)定的顏色值區(qū)間以及讀取的雷達(dá)探測(cè)波數(shù)據(jù)的強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行適配,使不同強(qiáng)度點(diǎn)呈現(xiàn)不同的顏色?？梢允菨u變顏色,也可以是明暗反差對(duì)比色,可替換不同的漸變色,反應(yīng)地下空間真實(shí)布局走向。

圖1 色帶文件示例

根據(jù)總共設(shè)定的顏色值區(qū)間以及讀取的雷達(dá)探測(cè)波數(shù)據(jù)的強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行適配,使不同強(qiáng)度點(diǎn)呈現(xiàn)不同的顏色。色帶區(qū)間大小反映了脈沖波數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)程度,顏色越多,呈現(xiàn)出的細(xì)節(jié)也越多。根據(jù)色帶顏色區(qū)間范圍進(jìn)行適配,可靈活定制。因此,也可以針對(duì)靶向區(qū)域,設(shè)定特定的顏色值,使得靶向區(qū)域表現(xiàn)更細(xì)膩、更明顯。

2.4 LAS點(diǎn)云輸出

根據(jù)每條探測(cè)線的相對(duì)位置關(guān)系或者絕對(duì)位置(采集了GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù))關(guān)系,可以得到每個(gè)采集位置的坐標(biāo),將這每個(gè)點(diǎn)上的位置形成坐標(biāo)值,并將前面根據(jù)脈沖波強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度或顏色值,寫入到點(diǎn)云信息中,保存為通用格式的LAS點(diǎn)云文件,便于點(diǎn)云處理軟件展示和讀取。

2.5 輸出配色結(jié)果和配色對(duì)照文件

通過配色對(duì)照文件,用戶可了解物探脈沖波數(shù)據(jù)總體情況及各強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的顏色值。配色結(jié)果包括總結(jié)、強(qiáng)度值按最大最小強(qiáng)度值區(qū)間統(tǒng)計(jì)和強(qiáng)度與顏色對(duì)照表。根據(jù)配色結(jié)果,對(duì)于感興趣的區(qū)域,可重復(fù)步驟配色過程,再次設(shè)定強(qiáng)度范圍,選擇配色方案,重點(diǎn)顯示特定區(qū)域。多次重復(fù)后,即可分別顯示各靶向區(qū)域。

物探脈沖波數(shù)據(jù)的空間定位及增強(qiáng)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(qiáng)配色方法總體流程

3 程序?qū)崿F(xiàn)與項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 原始數(shù)據(jù)讀入

(1)讀取物探數(shù)據(jù)

考古探測(cè)過程中會(huì)同時(shí)使用多種物探探測(cè)儀,以對(duì)地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行冗余探測(cè),保證探測(cè)結(jié)果的可靠性。因此,需要對(duì)各種探測(cè)儀的格式(如圖3所示)進(jìn)行兼容,保證數(shù)據(jù)均可讀入。

圖3 不同類型物探儀采集地脈沖波數(shù)據(jù)格式

不論何種探測(cè)儀,所獲取的均是每條測(cè)線每個(gè)位置點(diǎn)的坐標(biāo)(X、Y、Z)信息及反射強(qiáng)度(intensity)信息。所以直接讀取所采集的脈沖波數(shù)據(jù)文件,即可將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入多個(gè)點(diǎn)信息數(shù)組中。

(2)讀取GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)

物探儀配套的GNSS衛(wèi)星接收機(jī)保存的定位數(shù)據(jù)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(wèi)星定位數(shù)據(jù)格式

提取緯度、經(jīng)度和大地高信息,存入定位信息數(shù)組中,并將原始經(jīng)緯度坐標(biāo)投影至高斯3°帶,轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo),并更新原始脈沖波數(shù)據(jù)中的相對(duì)位置坐標(biāo)為絕對(duì)位置坐標(biāo)(高斯投影平面坐標(biāo)),具體流程如圖5所示。

圖5 讀取GNSS定位數(shù)據(jù)流程

3.2 脈沖波點(diǎn)列轉(zhuǎn)換

對(duì)讀取的脈沖波點(diǎn)進(jìn)行讀入,根據(jù)記錄的定位深度與實(shí)際探測(cè)深度是否有偏差,對(duì)采集的深度值進(jìn)行常數(shù)修正;根據(jù)用戶選擇的配色方案,分別對(duì)脈沖波數(shù)據(jù)中的強(qiáng)度信息值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若配色方案為方案一,則僅僅將原始強(qiáng)度區(qū)間轉(zhuǎn)換為[0,255]區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)度值;若配色方案為方案二,則將原始強(qiáng)度值分配到RGB字段上,每個(gè)字段(R、G、B)區(qū)間為[0,255];若配色方案為方案三,則最終點(diǎn)云RGB值是將脈沖波探測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)度值分配到用戶設(shè)置的RGB色帶區(qū)間內(nèi),然后更新到脈沖波點(diǎn)列數(shù)據(jù)中,能夠通過用戶設(shè)定的不同顏色區(qū)間,通過不同色彩展現(xiàn)不同強(qiáng)度的視覺表現(xiàn)。具體流程如圖6所示。

圖6 修正高程及增強(qiáng)配色流程

三種方案均可以將脈沖波探測(cè)數(shù)據(jù)的強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)區(qū)間的強(qiáng)度值,方案一將強(qiáng)度值映射到指定區(qū)間[0,255]內(nèi),轉(zhuǎn)換之后地強(qiáng)度值范圍可控;而方案二可以根據(jù)強(qiáng)度值,進(jìn)行紅綠藍(lán)(RGB)3個(gè)顏色通道的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換之后原始強(qiáng)度值變?yōu)?通道顏色信息,能夠通過顏色豐富地表現(xiàn)強(qiáng)度信息,該轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,用戶不可更該;方案三,則可以根據(jù)用戶自定義色帶轉(zhuǎn)換原始強(qiáng)度值,使得強(qiáng)度值能夠通過不同的顏色通道區(qū)間進(jìn)行表現(xiàn),從而多方面展現(xiàn)目標(biāo)區(qū)間的形態(tài)特征。

3.3 脈沖波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云

經(jīng)過相對(duì)位置修正為GNSS衛(wèi)星定位的絕對(duì)位置后,對(duì)于每個(gè)物探點(diǎn)的點(diǎn)信息,通過LASTools點(diǎn)云庫提供的接口,先創(chuàng)建一個(gè)LAS點(diǎn)云文件,創(chuàng)建文件頭,包括點(diǎn)數(shù),版本等信息,再依次將每個(gè)物探點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AS點(diǎn)信息,存入LAS點(diǎn)云文件中,直至所有點(diǎn)保存完畢(如圖7所示)。

圖7 輸出LAS點(diǎn)云流程

3.4 日志輸出設(shè)計(jì)

為了凸顯出靶向區(qū)域,因此脈沖波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云后會(huì)輸出脈沖波雷達(dá)數(shù)據(jù)強(qiáng)度與顏色對(duì)照表,統(tǒng)計(jì)出實(shí)際強(qiáng)度值的額區(qū)間范圍,并展示強(qiáng)度值與配置的顏色值對(duì)照表,從而能夠根據(jù)可視化的點(diǎn)云靶向區(qū)域和輸出的強(qiáng)度-顏色配置關(guān)系,重新選擇更合適的色帶生成新的點(diǎn)云,對(duì)靶向區(qū)域用更明顯的顏色加以增強(qiáng),更有重點(diǎn)地突出靶向區(qū)域。

本文方法開發(fā)基于Qt5.12.5平臺(tái),開發(fā)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(xiàng)目為例進(jìn)行測(cè)試,依據(jù)確定的幾處疑似位置,選取4號(hào)墓墓室區(qū)域獲取的雷達(dá)信號(hào),對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)物探信號(hào)分析(如圖8所示),同時(shí)將脈沖波信號(hào)轉(zhuǎn)換為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化,配置多條色帶增強(qiáng)配色,進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)域靶向定位,與后期發(fā)掘后傾斜攝影測(cè)量模型比對(duì),雷達(dá)異常信號(hào)集中區(qū)域與發(fā)掘后的墓室形態(tài)、位置和走向基本一致(圖8),驗(yàn)證了在地下水位較低條件下,探地雷達(dá)強(qiáng)度區(qū)間增強(qiáng)配色的靶向定位方法對(duì)墓室夯土層、磚石墓室的探測(cè)是可行的。

圖8 增強(qiáng)配色立面成果及4號(hào)墓-第九條測(cè)線處理及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

4 結(jié) 語

本文方法適用于瞬變電磁探測(cè)儀、三維電法探測(cè)儀和三維物探探測(cè)儀三種探測(cè)儀采集到脈沖波數(shù)據(jù),可改正因探測(cè)時(shí)儀器設(shè)置等問題導(dǎo)致的不準(zhǔn)確測(cè)深,對(duì)于三維物探探測(cè)儀,還能將采集到WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行高斯投影后改正脈沖波數(shù)據(jù)的相對(duì)坐標(biāo),使得數(shù)據(jù)具有絕對(duì)坐標(biāo),更能顯示脈沖波數(shù)據(jù)實(shí)際地理位置。可實(shí)現(xiàn)自定義式色帶配置,根據(jù)用戶需要,特定強(qiáng)度區(qū)間顯示特定色帶,靶向定位更明顯,配置更簡(jiǎn)單,不用修改源程序,靈活多變。

轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云顯示效果特別顯著,清晰、立體地顯示出探測(cè)結(jié)果,對(duì)于靶向定位有著很好的展示作用,靶向定位還可單獨(dú)設(shè)置色帶進(jìn)行特殊顏色表達(dá),更加細(xì)致地展示靶向區(qū)域。

結(jié)合實(shí)際南京五佰村考古現(xiàn)場(chǎng)發(fā)掘過程,采用了可視化物探脈沖波轉(zhuǎn)換后的增強(qiáng)配色點(diǎn)云數(shù)據(jù),可以在無開挖情況下,清晰地展現(xiàn)古代墓葬遺址現(xiàn)場(chǎng)的墓室空間位置、走向、細(xì)節(jié)尺寸及出土器物分布等,為后期挖掘提供指導(dǎo)依據(jù)。結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描等新型測(cè)繪技術(shù),通過獲取的三維模型、激光點(diǎn)云等實(shí)景三維數(shù)據(jù),進(jìn)行高精度空間定位的翔實(shí)記錄,為后期遺址保護(hù)、文物建檔修復(fù)、發(fā)掘過程溯源和其他相關(guān)研究提供了三維數(shù)字化的基礎(chǔ)資料。