基于多源數(shù)據(jù)融合的礦山大比例尺地形圖測(cè)繪方法研究

王福蓮

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅蘭州 730050）

0 前言

礦山地形圖測(cè)繪是礦山工程建設(shè)中非常關(guān)鍵的工作，傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測(cè)繪受限制條件多、成本高、獲數(shù)據(jù)格式不一致，進(jìn)而地形圖的成圖效果差，嚴(yán)重影響后期工程數(shù)據(jù)，為避免這一情況，推出多源數(shù)據(jù)融合方法測(cè)繪礦山大比例尺地形圖，其測(cè)量精準(zhǔn)度得到明顯提升。

1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程

根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際地理坐標(biāo)，選取地表控制位置和靜態(tài)GPS 聯(lián)合進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)制定詳細(xì)的航飛計(jì)劃，挑選有利時(shí)間和天氣開始空中拍攝，對(duì)Li-DAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。將拍到的圖像數(shù)據(jù)都要進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于出現(xiàn)漏飛和圖像質(zhì)量較差的位置需要進(jìn)行補(bǔ)充飛和重新飛處理[1]。航飛完成后，要及時(shí)對(duì)核實(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，如數(shù)據(jù)正確，可以通過IMU 與GPS 聯(lián)合解算的方式，獲取能進(jìn)行下一步分析的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 多源數(shù)據(jù)融合主要操作方法

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行制作數(shù)字線劃圖制作時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是其中一項(xiàng)重要依據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中預(yù)處理功能對(duì)提高地圖的準(zhǔn)確率有著重要的作用，其預(yù)處理通常采用點(diǎn)云分揀等方法來去除噪聲點(diǎn)、飛點(diǎn)和低空點(diǎn)等冗余數(shù)據(jù)。由于航飛是在不同航線上進(jìn)行飛行任務(wù)的，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊的可能性在30%以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，而這種數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率也比較低。在這種情況下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是將地面點(diǎn)等按統(tǒng)一的格式進(jìn)行歸類，以消除航帶交疊區(qū)冗余數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量精度的影響，在最大程度上避免對(duì)正常數(shù)據(jù)造成干擾。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理目的是對(duì)收集到的文件進(jìn)行有效分類，消除冗余數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理

經(jīng)過預(yù)處理和自動(dòng)過濾的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠有效降低冗余數(shù)據(jù)。然而，因?yàn)樵谶M(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)產(chǎn)生多元融合數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)中依然存在著各種來源的噪音，這些噪聲點(diǎn)往往與儀器自身系統(tǒng)偏差和被測(cè)量對(duì)象的物理性質(zhì)等因素有關(guān)。在這種情況下，為得到高準(zhǔn)確率的地形圖，必須采用特定的方法來消除噪音[2]。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪的方法有：其一，采用剔除低點(diǎn)、飛點(diǎn)等手段去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中大部分噪音。其二，利用人機(jī)交互技術(shù)消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪音。

2.3 點(diǎn)云自動(dòng)濾波

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的劃分也可以將其看作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)濾波，其核心是利用參考對(duì)象特征、回波次數(shù)等來自動(dòng)獲取地物點(diǎn)各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，其基本原則如下：其一，裸露的基巖只有一次回波，反射位置是地面點(diǎn)。在植物生長(zhǎng)地區(qū)，由于受遮蔽等原因會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)反復(fù)、多次回波，因此在正常情況下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)上一次回波反射點(diǎn)將會(huì)反射到地面上。因此，能夠明顯看出點(diǎn)在進(jìn)行云數(shù)據(jù)劃分過程中，主要是結(jié)合回波的獨(dú)有對(duì)地物坡面臨界值進(jìn)行確認(rèn)，直到得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地面點(diǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對(duì)于附近地面物體的平均高程點(diǎn)較低，一般出現(xiàn)在相對(duì)狹長(zhǎng)的地區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)的反射點(diǎn)數(shù)目很少，而且分布不均勻，所以在進(jìn)行測(cè)量時(shí)要根據(jù)地物的中點(diǎn)高程和附近其他點(diǎn)高程進(jìn)行對(duì)比，如果比其他地物點(diǎn)明顯偏低，就需將此點(diǎn)進(jìn)行分離[3]。其二，分隔空中點(diǎn)（即高程顯著比周圍的平均高程低，并位于地面之上的點(diǎn)），如果對(duì)周圍某一區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描，局部點(diǎn)的平均高程比周圍其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)要高，與平均高程的差異比指定的閾值大時(shí)，可以將其從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中去除，如塔尖、草垛等。

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分

點(diǎn)云自動(dòng)過濾應(yīng)該提升以下工作內(nèi)容：數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類準(zhǔn)確度高，但是目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分大多是基于建立數(shù)字化表面模型的模式。經(jīng)過剔除冗余和噪音后，剩余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接產(chǎn)生DSM，DEM 是基于DSM 理論前提下建立的非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)模型，其由水域點(diǎn)、橋梁點(diǎn)等組成。從以上內(nèi)容可以看出，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的劃分中應(yīng)注意：其一，將保持道路、水系和臺(tái)階等與地面點(diǎn)相連的地物保留。其二，排除高度顯著高于地平面的建筑物，如：高塔、高架橋等。其三，對(duì)大面積水域進(jìn)行置平整修。其四，當(dāng)DEM產(chǎn)品的網(wǎng)格比地物尺寸更大時(shí)，可以視而不見。例如：在礦山居住地附近河道位置的DEM產(chǎn)品。

2.5 DEM成果

DEM 成果的制作是快速獲得DLG 的重要依據(jù)，在礦山大比例尺地圖繪制中DEM產(chǎn)品的制作是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。所以生成DEM 非常關(guān)鍵，DEM 產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由地面點(diǎn)和斷裂線數(shù)據(jù)兩大部分組成。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類和人工分類中，以上兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)均是分開保存的，其保存方式分別是Ground 類點(diǎn)云和斷裂輔助線數(shù)據(jù)，所以只需抽取Ground 類點(diǎn)云和斷裂輔助線兩個(gè)文檔即可實(shí)現(xiàn)DEM產(chǎn)品生產(chǎn)。可以通過兩種方式進(jìn)行：其一，是在Ground類點(diǎn)云的輸出中選取一個(gè)點(diǎn)云構(gòu)成的數(shù)字化高程模型。其二，利用LiDAR-DP 軟件中的斷裂線輔助數(shù)據(jù)，將網(wǎng)格點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類之間的間隔距離設(shè)置成兩米。除此之外，DEM 產(chǎn)品開始進(jìn)行生產(chǎn)制造前需要對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全面核實(shí)，上述的全部操作均是以點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為100%的基礎(chǔ)下開展的。

2.6 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集是大比例尺地形圖制作的最終工序，也是地形圖繪制的關(guān)鍵。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的獲取分為人工數(shù)據(jù)收集和自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集兩種，自動(dòng)化數(shù)據(jù)是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)中，根據(jù)地形圖編輯的關(guān)鍵點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)DLG 的自動(dòng)生成。在此基礎(chǔ)上，對(duì)等高距離尺寸進(jìn)行調(diào)整，使其盡量符合實(shí)際地形特征。在完成數(shù)字化線劃地圖的繪制后，還必須對(duì)標(biāo)注的位置信息進(jìn)行采集，此時(shí)可以初步以自動(dòng)數(shù)據(jù)采集方式生成注記點(diǎn)，然后利用人工的數(shù)據(jù)收集對(duì)標(biāo)注點(diǎn)密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，應(yīng)保證地形圖的可讀性和分布合理性，也就是地形圖上標(biāo)注點(diǎn)位置不應(yīng)太少或太密集。另外，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)所處的局部區(qū)域數(shù)據(jù)不多，可用補(bǔ)測(cè)和重新測(cè)驗(yàn)來處理，主要是為了達(dá)到大比例尺地形圖精確性的要求。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)數(shù)字線劃圖進(jìn)行編輯處理，制作出圖名、圖框、圖例等，并對(duì)圖面進(jìn)行修整，即可遞交最后的成果文件，也就是礦山大比例尺地形圖。

3 多源數(shù)據(jù)融合的礦山大比例尺地形圖測(cè)量精度對(duì)比

為對(duì)多源數(shù)據(jù)融合方法在大比例尺地形圖制作中準(zhǔn)確性進(jìn)行詳細(xì)分析，可以通過采集5個(gè)點(diǎn)的全站測(cè)量數(shù)據(jù)和這5 個(gè)點(diǎn)附近點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行操作，利用全站儀器所獲取的三維坐標(biāo)和利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲取的三維坐標(biāo)十分接近，其準(zhǔn)確度可以達(dá)到1/2000 大比例尺的要求，這表明采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以很好地適應(yīng)礦山大比例尺地形圖測(cè)繪需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)在礦山大比例尺地形測(cè)繪中有很大的優(yōu)勢(shì)，多源數(shù)據(jù)融合主要操作方法有點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理、點(diǎn)云自動(dòng)濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分、DEM 成果制作以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集等，其不但測(cè)繪精準(zhǔn)度高，且具有出圖快、時(shí)間短、成本低等明顯優(yōu)勢(shì)，非常適合用于礦山大比例尺地形測(cè)繪。