災害易發(fā)區(qū)大場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，河南 鄭州 450001)

1 引言

中國地緣遼闊，國土總面積約為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)較為復雜、多樣，因此我國具有很多地質(zhì)災害多發(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)生災害，不僅帶來巨大的經(jīng)濟損失，還嚴重威脅了人們的生命安全。為此，實時監(jiān)測災害易發(fā)區(qū)地質(zhì)地形變化態(tài)勢，對災害預測和降低損失具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

目前通常依據(jù)三種工具實現(xiàn)災害易發(fā)區(qū)地質(zhì)地形變化特征建模分析。一是在GIS的基礎上進行可變地形特征三維建模，其原理是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對災害易發(fā)區(qū)的地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析等，為三維建模提供數(shù)據(jù)支撐，從而實現(xiàn)地形特征建模分析[2]。二是在地形微變遠程監(jiān)測系統(tǒng)基礎上進行可變地形特征三維建模，其原理是利用步進頻率連續(xù)波和合成孔雷達技術(shù)實現(xiàn)三維建模[3]。其三是利用機載攝影機進行數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建二次曲面擬合模型，對LiDAR地形數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行擬合，從而實現(xiàn)三維建模的一種方法[4]。上述三種建模方法，雖然都比較簡便、快捷，但是由于均采用單點采集方式，很難反應可變地形的全部特征，導致建模精度受到影響，從而造成災害區(qū)可變特征建模效果較差。

針對上述問題，本次在三維激光掃描系統(tǒng)的基礎上進行災害易發(fā)區(qū)大場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區(qū)地形表面點的三維坐標，并以“點云”的數(shù)據(jù)形式儲存到計算機當中，然后在計算機當中進行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)處理好的數(shù)據(jù)繪制線、面、體，實現(xiàn)“實景復制”，建立地形的三維模型[5]。為驗證本建模方法的有效性，進行仿真測試實驗，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害易發(fā)區(qū)大場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，與真實結(jié)果更為接近。由此可見，本建模方法精度較高，達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)災害易發(fā)區(qū)是指具備地質(zhì)災害(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)災害易發(fā)區(qū)域危險性極高，因此對其地形特征建模分析十分必要。

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

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

步驟2：對獲取到的圖像進行處理，包括信號放大、信號轉(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、GPS(全球定位系統(tǒng))、IMU(慣性導航系統(tǒng))、CCD攝像機、PC機以及其它附件組成。

1)激光雷達是通過發(fā)射激光束來探測目標狀態(tài)特征的一種雷達系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)為激光發(fā)射機、光學接收機、磁盤陣列、信息處理系統(tǒng)、中心控制芯片等，基本運行思路如下：由激光發(fā)射機發(fā)射脈沖激光，當脈沖激光信號打到災害易發(fā)區(qū)地表上時，脈沖激光會發(fā)生散射作用，其中一部分激光信號會被光學接收機采集到，最后依據(jù)脈沖測距法計算，就可得到從激光雷達到地面的距離。如此循環(huán)往復的掃描災害易發(fā)區(qū)地表，就可確定地表上全部目標點的三維坐標[7]。

在上述激光雷達運行中，脈沖測距法是關(guān)鍵，其原理是通過比較激光信號從發(fā)射到反射完成的時間差，來計算激光雷達到災害易發(fā)區(qū)地表的距離，其原理公式如下：

(1)

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

2)慣性導航系統(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航系統(tǒng)，基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過陀螺的輸出建立導航坐標系，從而根據(jù)加速度對導航時間進行積分，并把導航積分時間變換到導航坐標系中，則可計算出載體在導航坐標系中的速度和位置，如下圖1所示[8]。

圖1 慣性導航系統(tǒng)基本工作原理

3)CCD攝像機

CCD攝像機作用是采集災害易發(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、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，還需要進行進一步處理，才能保證后續(xù)建模精度。在這里主要處理內(nèi)容如下：電壓信號放大、電壓信號轉(zhuǎn)換以及圖像去噪處理。

1)電壓信號放大

光學接收機在散射信號的采集過程中，部分信號會受到環(huán)境因素的影響被削弱，這會導致建模數(shù)據(jù)缺失，所以需要利用放大器對其進行放大，增大信號的電壓幅度或功率[9]。

2)電壓信號轉(zhuǎn)換

電壓信號轉(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標準信號輸出，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攝像機采集到的災害易發(fā)區(qū)可變地形地貌圖像會受到設備或周圍環(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；z為領域集合；m為領域集合內(nèi)坐標總數(shù)。

2.3 繪制地形特征三維模型

在上述兩個環(huán)節(jié)結(jié)束后，開始正式進入災害易發(fā)區(qū)大場景可變地形特征三維建模實現(xiàn)階段。該階段的任務主要有三個：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、線、面)；進行三維圖形繪制，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)中動態(tài)輸出。下圖3為災害易發(fā)區(qū)大場景可變地形特征三維建模實現(xiàn)流程。

圖3 可變地形特征三維建模實現(xiàn)流程

地形三維立體建模過程中，其中一個關(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，不得不提到數(shù)字高程模型，該模型英文簡稱DEM，它是對自然地理空間中動態(tài)地理現(xiàn)象模型化表達和模擬，其定義用數(shù)學原理描述如下

DEM={pj，Hj，a，Ki∈S}

(3)

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

當點云連接規(guī)則a為正方形網(wǎng)格時，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)格的行列可以計算出每個網(wǎng)格點的具體三維坐標，并與此同時，記錄每個網(wǎng)格所在地區(qū)的平均高程，最后運用OpenGL或GEOVRML，在插值算法的應用下，與CCD攝像機采集到的災害易發(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)

當點云連接規(guī)則a為三角形網(wǎng)格時，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：不同于上述點云的規(guī)則分布，該種形式下，其點云的布局方式為不規(guī)則排列，所以連接成網(wǎng)格時，需要在某種規(guī)則的引導下與臨近點進行連接，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，因為不規(guī)則的三角形網(wǎng)格擁有非常好的拓撲關(guān)聯(lián)性質(zhì)，所以對災害易發(fā)區(qū)大場景可變地形特征的模擬能夠更加接近真實地形形態(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)鍵點之外，在建模時另一個關(guān)鍵點是選擇三維可視化實現(xiàn)工具。三維可視化實現(xiàn)工具是地形三維模型建立完成后的動態(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是定義了一個跨編程語言、跨平臺的編程接口規(guī)格的專業(yè)的圖形程序接口。它廣泛應用于三維圖像，是一個功能強大、調(diào)用方便的底層圖形庫，其主要負責的范圍為坐標變換、光照和材質(zhì)支持、紋理映射、圖像增強等。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，來進行地形地貌描述，目的是讓用戶通過一個在Web瀏覽器安裝的標準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)勢在于能夠支持多種坐標系統(tǒng)和投影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)精度更高、三維建模功能更加強大、代碼開放、易于集成、交互能力強大。

3 仿真測試實驗

敘永縣是四川瀘州下轄縣，位于四川盆地南緣，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，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)生滑坡災害，為人民帶來了嚴重生命財產(chǎn)損失。本次仿真測試實驗就以該地區(qū)的可變地形為研究對象，進行模型逼真度測試。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、基于地形微變遠程監(jiān)測系統(tǒng)是可變地形特征三維建模方法、基于機載攝影機的可變地形特征三維建模方法進行再次建模，最后并協(xié)同圖7(d)與圖6的原始圖片進行逼真程度對比，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，四種災害易發(fā)區(qū)大場景可變地形特征三維建模方法中，本文方法運行下，建立的地形三維立體模型與真實山地圖像逼真度最高，達到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，不可避免的會發(fā)生地質(zhì)災害，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大威脅，因此實時對災害易發(fā)區(qū)大場景可變地形進行監(jiān)測是十分必要的，在監(jiān)測過程中，可變地形建模是一項重要工作。本文設計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)新點在于利用三維激光掃描系統(tǒng)來實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)準確性更高，因而建模的逼真程度更高，彌補了傳統(tǒng)方法存在的不足。