遙感圖像三維可視化在低空磁測飛行輔助設計中的應用

任雨，朱谷昌，，張建國，張遠飛，孫莎莎

(1.中南大學，長沙 410083；2.有色地調中心，北京 100012)

1 引 言

隨著遙感技術、GIS技術和計算機圖形顯示技術的發展，三維可視化技術已初步應用在地貌研究、地質勘探、礦山監測、地質災害防治等地學領域[1-4]。動力滑翔機航磁勘查系統是將動力滑翔機與國內研制的磁測系統相結合而研發的一種低空磁測新技術，該系統已成功應用在高原、沙丘、森林、湖泊等磁法極難進行的地區。將三維可視化技術與動力滑翔機航磁勘查系統相結合，為飛行路線的設計做輔助，對于低空航磁勘查工作的順利開展具有很大的幫助。

多寶山銅礦區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，地形以低山丘陵為主，大部分土地屬荒地和叢林。該地區屬森林沼澤景觀區，氣候及環境較為復雜，在該地區開展低空磁測工作對于飛機起降場地的選擇、飛行環境、飛行時間都有更高的要求。本文主要研究內容為建立多寶山地區三維遙感影像模型，根據測線設計航線并制作模擬飛行的三維動畫，為利用動力滑翔機航磁勘查系統在森林沼澤景觀區進行大比例尺低空航磁勘查提供決策支持。

2 技術路線

本次研究采用的原始數據包括Landsat-7 ETM+遙感影像數據和國家地理信息中心發布的1∶250000數字地形圖，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現模擬飛行使用的軟件是ArcGIS 10。研究過程主要分為5部分：①利用遙感圖像處理軟件將多波段遙感數據融合，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平臺上利用數字等高線生成DEM模型，直觀展示工作區地形地貌；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和工作區范圍，選取不同視角導出多幅工作區三維遙感影像圖，為低空磁測工作部署提供參考；⑤將測線數據轉為矢量文件疊加到模型中，設計航線實現模擬飛行，生成三維動畫并以視頻格式導出。

圖1 總體流程圖

3 影像處理

3.1 遙感圖像預處理

遙感圖像預處理的過程包括幾何精校正、配準、圖像鑲嵌與裁剪、去云及陰影處理等過程。本次研究選區的遙感數據已經過大氣校正、輻射校正等前期的影像預處理工作。在本次工作中利用1∶5萬地形圖，進行了幾何校正，并根據工作區范圍，完成影像裁剪。

3.2 遙感圖像增強處理

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變換融合法實現了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

反差增強是指增大對比度的方法，是遙感圖像增強處理的主要手段。反差增強的目的是使圖像色彩更豐富，地物特征更明顯，對比度更高。通過對線性拉伸、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果做對比，發現直方圖均衡化效果較好，適應于本次研究。

圖2 處理后的遙感影像

4 DEM數據生成

數字高程模型(DEM)是一組表示地面高程的有序數值陣列，主要的表示模型包括：規則格網模型、不規則三角網模型(TIN)、等高線模型。不規則三角網是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來表示地形地面。TIN既是矢量結構又有柵格的空間鋪蓋特征，能很好地描述和維護空間關系。從表達地形信息的角度來看，TIN模型的優點在于能以不同層次的分辨率來描述地形表面。與規則格網模型相比，TIN模型在某一特定分辨率能用更少的空間和時間更精確的表達復雜的表面。特別是當地形包含有大量特征如斷裂線、構造線時，TIN模型能更好地顧及這些特征從而能更精確地表達地表形態。[4-5]

生成不規則三角網DEM模型的方法為：在ArcGIS軟件的3D Analyst擴展模塊中，使用數字等高線創建TIN模型，并將TIN模型經柵格轉換生成DEM柵格數據，柵格格式的DEM可實現與圖像文件疊合。利用ArcMap中的裁剪工具，選擇shape格式的工作區邊界框文件作為掩膜，即可將DEM數據按工作區范圍裁剪。

5 三維可視化的實現

將經過處理的遙感影像與DEM數據在ArcScene平臺上疊加，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植被、水系、土壤覆蓋情況和地形起伏狀況清晰的反應出來。同時，由于添加了公里格網和工作區范圍，方便了相關人員對磁測飛行工作進行指導和部署。為方便野外工作使用，可選取不同的視角，導出多幅工作區三維遙感影像圖。在制作三維遙感影像模型的過程中，需要注意幾點問題：①在ArcScene中設置遙感影像屬性過程中，如果影像的柵格分辨率與DEM分辨率差別過大，會出現失真的效果；②通過調大垂直夸大因子可增強三維顯示效果，突出山尖和溝谷的起伏情況，滿足宏觀和微觀的不同顯示需要；③測區范圍和工作區范圍以矢量線文件導入，基本高度應與DEM一致。

圖4 三維可視化遙感影像模型

6 模擬飛行

6.1 飛行標準

動力滑翔機航磁勘查系統是將高精度氦光泵磁力儀、GPS導航定位系統以及數據采集、記錄、處理系統等安裝在動力滑翔機上，在地面日變改正站和空-地聯系通信設備配合下，在測量地區上空按照預先設定的測線和高度對地下巖礦體的磁性響應進行測量。多寶山銅礦區地形較平緩，按地形條件分級在三級以下在該地區動力滑翔機設計飛行高度為50m～70m，采用往返平飛方式，飛行速度80km/h～100km/h。每條測線實際飛行的航跡偏離預定測線位置的距離稱為偏航距。按照航磁規范要求，大于1∶25000航磁測量，最大偏航距小于1/2主測線距。根據動力滑翔機的特點，本次項目規定三級以下地形，平均偏航距小于1/10測線距，三級以上地形，平均偏航距小于1/5測線距，最大偏航距<33m(1/3測線距)。

6.2 設計航線與三維動畫制作

ArcScene可通過導入路徑的方法生成模擬飛行的三維動畫，具體步驟為：①啟用ArcScene中的3D編輯器，根據測線起始點的三維坐標繪制飛行路徑；②在基本高度屬性框中根據飛行高度(50m～70m)設置飛行路徑偏移量，并按平均偏航距生成緩沖區；③打開ArcScene中的動畫制作模塊，在飛行路徑亮化顯示的狀態下選擇根據路徑生成動畫，飛行速度和飛行方式等動畫參數按項目設計標準設置。生成的三維動畫視頻可單獨保存為asa或AVI文件。

圖5 模擬飛行截圖

7 應用效果

低空磁測飛行包括測線飛行測量、磁補償飛行測量、質量檢查線飛行測量和切割線測量，每種飛行方式均有其各自的飛行方法與飛行步驟。每架次飛行測量前，現場技術負責人都會下達任務給飛行員，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導航系統。基于三維遙感影像平臺，技術負責人員可迅速發現山尖、溝谷、沼澤覆蓋、森林茂密等飛行難度較大地區，根據三維動畫顯示情況調整預設飛行路徑。本次研究共為203條測線飛行、一次補償飛行和一次切割線飛行設計路線生成三維動畫。通過與以往工作方式對比發現，以三維遙感技術為輔助進行低空磁測飛行前期工作設計可以提高效率、減少人力物力的浪費；并且，三維遙感模型的制作成本低，實用性較好，易于在其他工作區推廣。

8 結束語

(1)本次研究選取的1∶250000數字地形圖等高距為50m，密度較小，生成的DEM模型分辨率偏低，在工作區地形地貌細節顯示方面精度欠佳。如能結合高分辨率遙感影像(如QuickBird)和等高距10m以內的數字地形圖生成高精度三維模型，可以達到更好的顯示效果，模擬飛行動畫也會更有實際指導意義。但是由于本次研究工作缺乏1∶5萬地形圖數據及高分遙感影像，所以最終成果未能達到最好的顯示效果。

(2)在缺少前期研究資料的工作區，遙感技術是獲取未知區域地物信息的唯一手段。充分利用遙感數據，使用人機互動的遙感地質解譯方式，了解工作區地質構造和地表覆蓋情況，對于磁測飛行工作計劃的制定具有很大幫助。

(3)本文僅是對三維遙感技術在低空磁測飛行輔助設計中的初步應用做探討，該方法尚處于研究階段。下步研究擬利用ArcEngine二次開發平臺開發低空磁測飛行輔助設計專業軟件，在三維遙感模型平臺中實現直接導入Excel格式的測線數據即可生成三維動畫，提高工作效率，并能針對風力的大小、地形的不同提供更多飛行方式的選擇，從而更好的為生產服務。

參考文獻：

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[2] 褚進海，彭鵬，李鄭，等.基于GIS技術的三維礦山遙感可視化方法研究[J].安徽地質，2009，19(2)：115-118.

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