机载LiDAR与地基SAR数据融合三维可视化方法研究.pdf
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1、8月0引言位移监测是变形监测的主要监测内容之一,传统的位移监测主要是利用精密水准仪、全站仪、全球卫星导航系统等技术方法来实现。这些方法具有测量成本低、观测简单等优点,但是在一些存在安全隐患以及地势起伏较大的区域实施仍有较大困难;同时,上述技术手段采用的是对点进行测量,通过以点概面的方式来进行位移监测。因此,要满足获取目标区域的形变趋势和总体形变特征的需求,需布设大量的控制点和观测点,在实际工作中较难实现。激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)通过脉冲和光电成像技术可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度、反射率以及数字成像等信息,经过相应处理可获取区域
2、性的三维点云。地基SAR采用主动式微波成像雷达技术,通过合成孔径雷达(SAR)技术和步进频率连续波(SF-CW)或线性调频连续波(FM-CW)技术的结合,从而获取目标区域的高分辨率的二维影像。之后,通过雷达干涉技术处理后即得到目标的形变值1。近年来,随着地基合成孔径雷达和机载LiDAR技术的发展,地基SAR与机载LiDAR技术在地表位移监测等方面的研究已有很多成果。刘玉溪等对地基SAR在矿山应急测量中的应用进行了研究2,摘要:本文基于机载LiDAR数据与地基合成孔径雷达数据(地基SAR)的数据,采取坐标转换结合影像映射的数据融合方法,将地基SAR获取的高精度二维位移图转换并映射至机载激光雷达获
3、取的三维点云模型上,从而获得目标区域的三维干涉雷达点云模型。其结果不仅保留目标区域高精度的二维平面位移信息,也在一定程度上实现了雷达位移影像的三维可视化,在地质灾害、边坡位移等隐患体监测中具有直观快速识别和可视化监测的良好效果。关键词:地基SAR;机载LiDAR;数据融合;变形监测;位移监测中图分类号:P237文献标识码:A文章编号:2095-7319(2023)04-0091-05Research of 3D visualization methodon airborne LiDAR and Ground-Based SAR data fusionCHEN Tingjun(Geologica
4、l Engineering Survey in Fujian Province,Fuzhou 350002,China)Abstract:Based on airborne LiDAR data and Ground-Based Synthetic-Aperture Radar data(Ground-Based SAR),this paper adoptsthe data fusion method of coordinate transformation and image mapping to transform and map the high-precision 2D displac
5、ement mapobtained from Ground-Based SAR to the 3D point cloud model obtained from airborne LiDAR,so as to obtain the 3D interferometric radar point cloud model of the target area.The result not only preserves high-precision 2D plane displacement information of the targetarea,but also achieves 3D vis
6、ualization of radar displacement images to a certain extent.It has a good effect in intuitive and rapid identification and visual monitoring of hidden dangers such as geological disasters and slope displacement.Key words:Ground-Based SAR;airborne LiDAR;data fusion;deformation monitoring;displacement
7、 monitoring陈廷钧(福建省地质工程勘察院,福建 福州 350002)机载 LiDAR 与地基 SAR 数据融合三维可视化方法研究收稿日期:20230508作者简介:陈廷钧(1974),男,福建惠安人,本科,工程师,主要从事新型基础测绘、智能交通及 SAR 在地灾方面的应用研究。E-mail:陈廷钧:机载 LiDAR 与地基 SAR 数据融合三维可视化方法研究91经纬天地Survey World2023年第4期No.42023论证了地基SAR在沉降监测中的可行性。祁宁等分析了机载激光雷达技术在沉降监测应用中的有效性与点云模型的直观性及可视化3。以上研究主要集中在地基SAR与机载LiDA
8、R监测精度以及可行性研究上,对两种数据的融合涉及较少。结合两种数据的特点,本文提出坐标转换结合影像映射的方法,将地基SAR获取的高精度二维位移图转换至机载激光雷达获取的三维点云模型上,获得目标区域的三维干涉雷达点云模型。通过此方法,保留了地基 SAR 雷达位移影像高精度的同时,在一定程度上实现了雷达位移影像的三维可视化,对地质灾害隐患体具有直观快速识别和实时可视化监测的良好效果。1技术原理1.1机载激光雷达测量原理激光雷达作为一种主动式观测手段,其数据形式为雷达点云。其工作方式可简要描述为:激光雷达向测量区域的目标点发射一束激光,目标点反射激光信号,测量反射信号到达发射机的时间。通过分析反射信
9、号的强弱以及频率变化等参数,便可以获取激光雷达相对目标点的距离、运动速度以及方向角,从而获取目标的三维点云数据。相比传统测绘手段,激光雷达具有不受天气恶劣、光照不足等不利条件制约的优点,在复杂的观测环境中仍然可以得到高精度的空间信息。1.2地基SAR监测原理地基SAR是微波遥感技术的一种,通过步进频率连续波或线性调频连续波技术可以优化观测目标距离向和方位向分辨率,同时利用合成孔径雷达技术,可提高雷达影像的空间分辨率。基于此,通过步进频率连续波或线性调频连续波技术与合成孔径雷达技术的结合,地基SAR可实现目标区域空间二维雷达图像的获取。之后,利用干涉测量技术,即可融合步进频率连续波技术或线性调频
10、连续波技术与合成孔径雷达获取目标物在天线方向上的高精度位移。地基SAR的监测示意如图1所示。地基SAR的距离向分辨率R与光的传播速度c及地基SAR频率带宽B有关,与雷达距待测目标物之间的距离无关。其计算式如式(1)所示:R=c2B(1)角度向分辨率与雷达线性滑动轨道长度L以及雷达信号的波长有关,其计算式如式(2)所示:=2L(2)弧长距离与雷达信号到待监测目标物体之间的距离D以及角度向分辨率有关,其计算式如式(3)所示:=D(3)通过弧长即可以求出单个像素点的面积。此外,由于地基SAR空间基线为0,因此干涉相位仅与地基合成孔径雷达的形变相位defo、大气延迟相位atmo以及噪声相位Noise有
11、关,其计算式如式(4)所示:=defo+atmo+Noise+2K(4)1.3LiDAR点云与地基 SAR 数据融合方法本文通过坐标转换以及映射相结合的方式,实现了地基 SAR 和机载LiDAR点云的数据融合,生成了三维干涉雷达点云模型。模型结果不仅保留了机载LiDAR生成目标物表面的点云,同时还融入了地基 SAR获取的高精度位移影像。模型结果具有精度高以及可视化的特点,能够精确地反映目标物的变形情况,为后期预测构筑物变形的趋势以及进行相关决策提供了支撑。数据融合主要包括3个过程:1)数据获取:通过地基SAR设备与机载激光雷达设备获取目标区域的高精度二维位移影像以及点云模型;2)数据融合:通过
12、坐标转换实现二维位移影像与点云模型坐标系的统一,之后将二维位移影像映射至点云模型;3)结果分析:通过对融合后的三维干涉雷达点云模型的形变分析,可以对相关构筑物的形变情况进行判断,对相关构筑物的形变趋势进行预测。本文采用二维四参数模型进行坐标转换5,转换模型公式如式(5)所示:图 1地基 SAR 监测示意图928月式中:(x1,y1)与(x2,y2)为两个坐标系下的坐标点;(x,y)为平移参数;为旋转参数;m 为尺度参数。2实验及结果分析2.1数据获取为验证本文方法在实际测量中的可行性,本文实验采用Metasensing公司研制的Fast-GBSAR设备和大疆M300+L1设备对某高速边坡进行测
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