山地地理測繪勘探中反射式激光雷達回波特征優化監測研究

劉勝杰，黃振利，楊 磊，劉云龍

(中國人民解放軍第32022部隊，武漢 430079)

0 引言

反射式激光雷達是用來檢測目標位置和速度等特征的雷達系統，其工作運行方式是將探測信號發送給目標，并將所接收到的目標回波信號與所發送的目標信號進行對比，經過合適的預處理即可獲取目標的相關資訊，如距離、方位、高度、速度、姿態和形狀等，從而探測出目標。反射式激光雷達將GPS與慣性導航系統相融合，通過兩者密切配合可以準確地分辨特定的反射速度所造成的沖擊痕跡，能夠獲得精確的數字高程模型，具有激光的測距精度高的技術優勢。

我國是一個國土遼闊、森林資源豐富的國家，多樣的地理類型造就了多樣的水土類型[1]。隨著地殼的運動，地貌在潛移默化中發生巨大的改變。由于我國基建需求，自20世紀80年代開始對山地樹木、礦山大量開采，從而導致我國大量的土地水資源流失，山體框架改變，極易引發泥石流、滑坡等自然災害[2-3]?；谏鲜鰡栴}，對我國山地地理特征進行必要的測量監測，就成為政府林業部門急需解決的問題之一。針對這一問題的研究較多，以遙感圖像為基礎的監測測量方法，在這方面起到巨大的作用，為了能夠更加明確我國山地地理現狀，相關學者一直對我國山地的地理監測方法展開進一步優化研究。

文獻[4]中首先將基站作為遠端散射體，移動臺作為近端散射體對數據進行采集；通過采集結果建立三維的信道模型；通過米塞斯分布方法獲取模型方位角、仰角等分布參數；利用相關函數計算模型，根據計算結果實現地理的監測。該方法由于未能在地理監測過程高度以來參數精度，導致該方法在監測時難以有效地監測到地理的變形量。文獻[5]中提出基于GNSS/INS緊耦合的水陸地理三維一體化崩岸監測方法。該方法在利用組合導航系統對數據實施緊耦合處理的基礎上，通過時間匹配的方式分析數據誤差，再通過時間歸算完成地理監測。該方法在進行數據匹配時，存在耗時問題，導致該方法的監測效果存在弊端。文獻[6]中提出礦區地表移動“空天地”一體化監測方法。該方法基于采集的相關數據以及處理結果建立空天地一體化監測體系；并基于相關要求制定高精度、高效率的監測準則；使用三維激光掃描技術運行監測體系，實現對地理的監測。該方法在制定監測準則時，約束條件過多，導致該方法的監測應用性能差。主要因為上述以回波重構方法為基礎的地理測繪勘探在山地區域應用，會出現光斑回波疊加，導致特征監測效果差。文獻[7]提出背負式移動激光掃描系統測繪大比例尺地形圖精度試驗研究，在大規模地圖上使用背負移動的激光掃描儀，以蘇州工業區的測繪GIS大廈為對象，對點云進行了預處理，提取特征點，并將特征點以MicroStation V8聯圖的方式繪出1：500的地圖。該方法在測繪時難以有效地監測到地理的實時變化，導致測繪不精準。文獻[8]提出機載激光雷達輔助地形圖繪制的應用實踐，利用航空攝影技術將激光雷達、慣性導航、高精度數字攝像機、數字照相機等資料收集，再進行高線的提取、修改和上報等工作，該方法在繪制中存在誤差，導致該方法的監測效果不佳。

為解決上述地理監測過程中存在的問題，本研究通過采集反射式激光雷達光斑數據，結合抗干擾模型，實現對山地地理測繪勘探區域的優化監測。所研究內容的創新點是優化設計反射式激光雷達在山地地理測繪勘探中的應用過程，確定其相關參數。并通過分區對山地地理掃描，整合掃描結果，采集該山地地理特征的激光雷達回波數據。同時設計一種光斑回波波形分解模型，通過分解處理獲取地理特征，去除光斑回波疊加干擾。研究表明，本文方法進行地理變形監測時效果較好。

1 反射式激光雷達山體地理監測數據采集過程設計

常規的激光雷達多維透射式系統光學接收裝置的厚度過大、透光率低，增加接收裝置的發射功率后，山地低空近距離的回波信號很強，容易造成接收系統飽和，甚至造成高靈敏度的探測器失效，且其主光學孔徑通常為中等孔徑，在實際應用中由于制造材料、機械結構和發射體積等因素的限制，使得中等孔徑的分布變得極為困難，不適合大范圍山地使用。故本文利用反射式激光雷達完成山地地理測繪勘探區域監測，反射式激光雷達的應用原理如圖1所示。

圖1 反射式激光雷達原路圖

假設β1表示副鏡放大率，β2表示第三鏡放大率，β3表示第四鏡放大率。不同鏡片的曲率半徑的約束條件如下：

(1)

物鏡鏡片間距應當滿足如下關系：

(2)

反射式激光雷達發射的激光照射到障礙物以后，通過障礙物的反射，反射光線會經由鏡頭組匯聚到接收器上，如果靶放在拋物面鏡的焦點處，入射光線會被阻擋一部分，從而僅使用拋物面鏡的一部分，達到讓光束離軸入射的目的，因此需要設置第三鏡離軸角、副鏡離軸量等。依據此原則在應用過程中，設置第三鏡離軸角為73.866°，副鏡離軸量為12.5 mm，在空間頻率801 p/mm處，MTP值均大于0.4，可較好區分入射、反射信號。反射式激光雷達山體地理監測數據采集過程具體步驟為：

步驟一：用脈沖激光器把激光信號送到反射鏡面上，然后到達電機掃描系統，再通過鏡子從山體處反射回來。

步驟二：把從山體處的回聲信號再向副鏡、第三反射鏡和第四反射鏡進行反射，最終再向主反射鏡進行反射，包括山形的回聲信號被反射至信號通路。

步驟三：由檢測器接受并對3個信道的激光回波進行分析，再送至取樣回路，并將采集到的數據進行儲存。

2 方法的優化過程設計

2.1 山地區域光斑數據采集

假設反射式激光雷達設備在山地地理特征勘探過程中，其掃描儀高度為G、掃描半徑為R、掃描角度為β，且掃描高度會隨著掃描半徑及掃描角度的增加而逐漸增大[9-10]，表述形式如下所示：

G=R×cotβ

(3)

式(3)中，余切函數標記為cot的形式。采用反射式激光雷達對山地地理的地面進行投影計算時，激光雷達的豎直間距直接影響反射式激光雷達掃描結果，對此需對激光雷達的豎直間距進行確定[11-12]，表達式為：

szl=d×tanβ

(4)

式(4)中，激光雷達掃描的豎直間距為szl，山地地面豎直間距為d，正切函數標為tan。

最后依據上述流程確定反射式激光雷達的相關參數，并通過分區對山地地理進行一一掃描，整合掃描結果建立該山地地理數據集，由此設計光斑回波波形分解模型。

2.2 光斑回波波形分解模型設計

由于山地地理環境較為復雜，可以使雷達反射波變得雜亂而沒有規律，使反射式激光雷達接收機接收不到目標的有效信號，從而無法對目標進行跟蹤和鎖定；發射機發射雷達波束，接收機接收從目標處反射回來的反射式激光雷達波束，從而才能確定目標的高度、速度、作標、狀態等。因山地地理環境通常呈現中部高四周低的形態，會出現較為明顯的回波干擾，所以需要采用反射式激光雷達對目標區域進行分類別掃描，并建立對應的光斑回波波形分解模型，對反射式激光光斑進行針對性分解處理，提高對地理變形量的檢測效果，去除回波干擾。

1)區域類別1為山地平坦地理：

在山地平坦地區，反射式激光雷達回波脈沖波束寬度不會發生變化，所以反射回的回波波形形狀也處于不變的狀態[13-14]。設定山地目標的散射角為各向同性散射，可將建立的回波分解模型轉換成高斯函數進行表述，如下式所示：

(5)

式(5)中，地理的采樣時刻標記為x，目標組分位置標記為η，脈沖寬度標記為ε，建立的回波分解模型高斯函數表示形式為g(x)。

2)區域類別2為復雜地理：

在山地的復雜地理中，反射式激光雷達的發射脈沖在接收時會出現振幅衰減或反射回角度不同的問題[15-16]，脈沖寬度也被相對擴寬，回波組分多樣后建立的回波分解模型如下式所示：

(6)

式(6)中，組分數量標記為m、位置標記為ηj，組分脈沖波形標記為gj(t)。由此完成光斑回波波形分解模型構建，根據該模型，實施山地地質環境監測序列的小波去噪處理。

2.3 山地地質環境監測序列的小波去噪

傳統的反射式激光雷達勘探未曾識別地質環境監測信號里的非線性關系，導致去噪后的時間序列核心信息缺損。小波降噪屬于一類性能十分突出的非線性濾噪方法，它的本質為經過對山地地質環境監測數據時間序列的分解，研究分析并獲取山地地質監測數據每部分中的“異常”成分并篩除屬于噪聲的成分，以此實現山地地質環境監測數據去噪[17-18]。但是非線性系統的頻譜較寬，對山地地質環境非線性時間序列濾噪時選取小波函數十分關鍵，必須準確劃分哪些屬于有效信號，哪些屬于噪聲信號。

假定g(x)屬于山地地質環境監測信號的監測序列，在山地地理測繪勘探中把山地地質環境監測信號描述成差異頻率成分的線性數據，如式(7)所示：

g(x)=Li(x)+Oi(x)

(7)

式(7)中，Li(x)表示山地地質環境監測信號處于空間x的投影，Oi(x)表示山地地質環境監測信號處于空間x的映射。山地地質環境監測信號小波分解式如下所示：

(8)

式(8)中，F表示環境的脆弱性數據，根據山地地質環境監測信號的尺度函數，Ti表示與之對應的低通濾波器，Vi+1表示山地地質環境監測信號的i+1分辨率離散細節信號。在此基礎上，山地地質環境置信度表示為：

(9)

式(9)中，G表示山地地質環境置信濾波因子，Ui+1表示山地地質環境置信離散因子，Vi+1T表示山地地質環境置信監測信號在i+1分辨率中的離散細節信號轉置[19]。

山地地質環境監測數據重構時，把和噪聲對應的細節信號實行相關閾值處理，以此重構數據實現去噪，其表達式如式(10)所示：

(10)

式(10)中，gI(x)屬于g(x)濾波后的平滑數據，也屬于去噪后的山地地質環境監測信號，LI(x)表示山地地質環境去噪信號處于空間x的投影，OI(x)表示山地地質環境去噪信號處于空間x的映射。為了優化去噪效果，小波重構時將細節數據處理時必須掌握監測序列的先驗信息，即為掌握噪聲的種類，獲取山地地理檢測特征，完成山地地質環境監測序列的小波去噪，根據去噪結果，獲取山地地理檢測特征。

2.4 山地地理監測特征獲取

2.4.1 坐標轉換

在測量山地地理地貌前，需要結合去除回波干擾后的數據集，建立平面坐標系，并實現山地的高程轉換，消除坐標失真的干擾?；诜瓷涫郊す饫走_光斑數據建立山地地理平面坐標系[20-21]，再通過工程測量結果建立山地實測坐標系，其發射過程如圖2所示。

圖2 反射式激光雷達線路圖

結合圖2，將該平面坐標轉換為參數模型轉換，假設X0、Y0均表示坐標平移參數，ɑ表示旋轉參數，δ表示變換尺度，坐標內任意點標記為R，位置標記為(X1，Y1)以及(X2，Y2)形式，二者關系如下式所示：

(X2，Y2)=(X0，Y0)+(1+δ)F(α)(X1，Y1)

(11)

式(11)中，坐標變換尺度矩陣標記為F(ɑ)，利用最小二乘擬合方法對其進行求解計算，過程如下式所示：

(12)

式(12)中，分塊編號標記為i，擬合系數標記為β(x)，基函數標記為qi(x)，完備多項式標記為e，數量標記為k?；谏鲜鲇嬎憬Y果，使用形函數對基函數進行優化處理，從而取得最佳擬合函數，過程如下式所示：

(13)

式(13)中，n階基函數標記為y，擬合函數標記為g(x)，形函數標記為θn(x)，擬合因子標記為ωki。最后通過該擬合函數完成坐標系的轉換。

2.4.2 山地高程轉換

設定反射式激光雷達高程值為h，以此計算山地地理高程值起算面值hqs，過程如下式所示：

hqs=h+C

(14)

式(14)中，坐標系的任意高程差標記為C。設定坐標系的任意高程差與平面坐標之間存在關系，使用平面擬合法對二者關系進行計算，過程如下式所示：

C=F(x，y)=ox+py+q

(15)

式(15)中，山地平面坐標標記為F(x，y)，坐標參數標記為o、p、q，坐標方向標記為x、y。最后基于上式計算結果獲取各項參數，將反射式激光雷達高程值轉換成水平面高程值。

2.4.3 生成山地等高線

由于采集的反射式激光雷達數據集的數據量較大，故可利用曲率采樣法避免數據冗余對監測結果的影響，具體過程如下：

1)設置一個百分數，用最小二乘法求出面曲率。

2)將曲率計算結果排序，劃分為若干數據區域空間。

3)依據設定的百分比值獲取反射式激光雷達數據乘積值，完成反射式激光雷達數據的再次采集，提取山地等高線。

4)基于獲取的山地等高線，建立山地數字地理模型，完成山地地理測繪勘探區域的測量。

最后將測量結果與往年測量結果進行對比，實現山地地理的變形監測。

3 應用實驗與結果分析

為了驗證上述基于反射式激光雷達山地地理測繪勘探區域監測方法的整體有效性，設計如下測試過程。

實驗以某地區為監測對象，其位于東經115°27′～116°35′、北緯28°10′～29°11′之間，處于南昌市西郊30公里處，多為剝蝕低山丘陵，海拔一般標高為300～500 m。研究地區地理范圍如圖3所示。

圖3 研究地區地理范圍圖

為避免實驗結果過于單一，實驗過程中，分別采用反射式激光雷達數據采集在山地地理監測中的應用(本文方法)、基于GNSS/INS緊耦合的水陸地三維一體化崩岸監測技術(文獻[5]方法)、礦區地表移動“空天地”一體化監測技術研究(文獻[6]方法)進行測試。

為使所獲取的點云在統一坐標系下進行匹配和拼接，并在測區內設置有分布于測區內、各點之間相對穩定的點。為獲得高精度的測量資料，采用與反射式激光雷達相對應的目標作為控制點，通過在選定的控制點上設置相應的目標，由于受測地形的變化，需要在地面上安裝反射式激光雷達，每一次掃描都要對同一目標進行掃描。實驗數據處理軟件為ENVI LiDAR，參數如表1所示。

在此基礎上，展開具體的測試，過程如下：

1)首先選定較為平坦山地地理測繪勘探區域，設定反射式激光雷達數據密度為1 643 pts/m2，平均點間距3.4 cm。分別利用3種方法對研究地區的地理變形量展開監測。

2)其次選取坡度較大但不突出的山地地理測繪勘探區域作為測試環境，設定該環境反射式激光雷達數據密度574 pts/m2，數據平均點間距為4.6 cm。同樣分別利用3種方法對研究地區的地理變形量展開監測。

3)然后選取地勢復雜的山地地理測繪勘探區域作為測試環境，設定該環境反射式激光雷達數據密度35 pts/m2，數據平均點間距為14 cm，分別利用3種方法對研究地區的地理變形量展開監測。

4)之后在完成上述對于不同地勢的山地地理測繪勘探后，檢驗3種方法下獲取到的山地地理數據的信噪比指標。

5)最后在確定信噪比基礎上，對3種方法采集山地地理區域圖時存在的空洞情況進行分析。

直接應用反射式激光雷達儀器獲取檢測對象的地理勘探區域掃描圖，運用3種方法在實驗中得到的反射式激光雷達地理勘探區域掃描圖，具體如圖4所示。

圖4 反射式激光雷達地理掃描圖

由圖4可以看出，對比文獻[5]方法和文獻[6]方法，本文方法得到的反射式激光雷達地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數據，實現對于山地地理的勘測。

針對平坦山地地理測繪勘探區域，選定500個數據組成5組數據，其中1、3、5組含噪聲數據，2、4組為無噪聲數據，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監測時，對3種監測方法的監測到的地理變形量進行測試，測試結果如圖5所示。

圖5 不同監測方法地理變形量監測結果

分析圖5可知，組別的不同測試出的監測效果也不相同。由于組2、組4中不存在噪聲數據，所以監測結果與實際地理變形量之間存在的差距較小，而組1、組3和組5中存在噪聲數據，所以監測效果要較差。實際山地變形在0.505 m處上下波動，本文方法在進行地理監測前，對地理的特征進行了提取，所以在測試過程中，即便數據組別中存在大量噪聲數據，地理變形量的監測結果依舊與實際地理變形結果相接近。而文獻[5]方法與文獻[6]方法測試出地理變形量與實際地理變形量之間存在較大誤差。由此可知，本文方法在進行地理變形監測時的監測效果好。

針對坡度較大且光斑數據密度較大的山地區域，采集500個數據組成5組數據組，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監測時，測試該環境下的地理監測效果，結果如圖6所示。

圖6 大坡度環境監測效果測試結果

分析圖6可知，該環境山地變形量監測效果與平坦無坡度環境的監測效果之間存在些許差距。本文方法在進行山地變形量監測時監測結果與實際山地變形量監測結果相差較小，在0.15 m處上下波動，監測誤差可忽略不計。文獻[5]方法監測結果低于本文所提方法檢測效果，高于文獻[6]方法監測結果，文獻[6]方法監測結果較差，與實際山地變形量之間存在明顯差距。由此可知，本文方法在山地坡度較大時，監測效果較理想。

針對地勢復雜且光斑數據密度較小的山地區域，同樣采集500個數據組成5組數據組，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監測時，測試該環境下的地理監測效果，結果如圖7所示。

圖7 密度稀疏下3種監測方法的監測變形量測試結果

分析圖7可知，本文方法山地變形量的監測結果與實際山地變形量結果相接近，在0.15 m處上下波動，文獻[5]方法與文獻[6]方法山地變形監測結果與實際山地變形結果之間存在較大差距。由于地勢復雜，所以3種方法在監測期間監測效果不如地勢平坦的區域，致使3種方法的監測效果低于地勢平坦區域的監測效果。整體來看，本文方法在進行山地變形量監測時的監測效果要優于文獻[5]方法與文獻[6]方法的監測效果。

針對選定的山地區域，采集500個未經處理的數據組成5組數據組，以圖4中本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法下的反射式激光雷達地理掃描圖為基礎，對不同數據組的信噪比進行分析，具體的分析結果如圖8所示。

圖8 3種監測方法的信噪比分析結果

分析圖8可知，本文方法下對于山地地理勘測的數據信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明本文方法下的反射式激光雷達掃描圖的圖像質量較為優良，存在噪聲較少。文獻[5]方法與文獻[6]方法對于山地地理勘測的數據信息采集的信噪比之間存在較大差距，相比于本文方法信噪比較低，最大值分別為50 dB、40 dB。最小值分別為32 dB、12 dB，說明文獻[5]方法與文獻[6]方法下的反射式激光雷達掃描圖的圖像質量較差，存在一定噪聲。整體來看，本文方法對于山地地理勘測的數據信息采集的質量要優于文獻[5]方法與文獻[6]方法的采集質量。

在進行山地地理測繪勘探時，由于受外部環境的影響，往往會出現一些無法探測到的區域，也就是空洞。由于空洞的存在，不但不能對地形進行精確、完整的建模，而且對模型的后續處理也有一定的影響。因此，以本文采集對象的局部地形為例，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法對不同數據組的空洞情況進行分析，結果如圖9所示。

圖9 不同方法采集空洞對比圖

由圖9可知看出，采用文獻[5]方法與文獻[6]方法對山地地理進行勘測時，其獲取的地形圖存在較多空洞，后期對整體地形進行修復時，會出現與實際地形圖誤差較大的問題。而采用本文方法時，其存在空洞較小，與原地形誤差較小，具有一定的優勢。

基于上述測試結果可證明，本文方法進行山地地理監測時，該方法具備良好的監測效果，證明該監測方法的監測性能高。

4 結束語

針對山地受到環境影響導致監測效果差的問題，本文采用反射式激光雷達對山地地理測繪勘探區域監測進行優化研究。該方法創新之處是優化設計反射式激光雷達在山地地理測繪勘探中的應用過程，并通過分區對山地地理掃描，采集該山地地理特征的激光雷達回波數據。通過提取相關山地地理特征建立山地地理二維坐標系，生成山地數字地理模型，完成山地地理測繪勘探區域的測量，最后通過測量結果實現對山地地理的變形監測。通過研究得到如下結論：

1)本文方法得到的反射式激光雷達地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數據，實現對于山地地理的勘測。

2)在進行地理監測前，本文方法對地理的特征進行了提取，所以在測試過程中，地理變形量的監測結果與實際地理變形結果相接近，進行地理變形監測時的監測效果好。

3)本文方法在進行山地變形量監測時監測結果與實際山地變形量監測結果相差較小，在0.15 m處上下波動，監測誤差可忽略不計，在山地坡度較大時，監測效果較理想。

4)本文方法下對于山地地理勘測的數據信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明反射式激光雷達掃描圖的圖像質量較為優良，存在噪聲較少。

5)采用本文方法時存在空洞較小，具有一定的優勢。

該方法由于在數據采集時還存在一定問題，今后會針對該項缺陷繼續完善該監測方法。未來的研究內容如下所示：

1)下一步可以采用LIDAR技術對山地地理環境進行多角度的激光雷達回波掃描，能夠迅速獲得高密度、高精度的立體點云點坐標，并在軟件的支持下建立了大量的立體模型，實現了對反射式激光雷達回波特征的優化監測。

2)未來研究工作可以采用反射式激光雷達技術，對山地地理環境進行全面的數據收集，并建立了一個立體的模型，更好地體現出其形態。讓整個回波特征優化監測的結構更加清晰。

3)反射式激光雷達回波特征優化監測需要更加能夠迅速、有效地獲得山地地理精確信息，保證勘探工程的質量，提高勘探工程的效率，在此方面未來可以深入研究。