苏晨琛，刘海砚

(信息工程大学，河南 郑州 450001)

1 引言

中国地缘辽阔，国土总面积约为960万平方千米，仅次于俄罗斯、加拿大，居世界第3位。在这广阔的地域中，地形结构较为复杂、多样，因此我国具有很多地质灾害多发区，如滑坡易发区、泥石流易发区、山体崩塌易发区、地面塌陷易发区、地裂缝易发区、地面沉降易发区等。这些地区一旦发生灾害，不仅带来巨大的经济损失，还严重威胁了人们的生命安全。为此，实时监测灾害易发区地质地形变化态势，对灾害预测和降低损失具有重要的现实意义[1]。

目前通常依据三种工具实现灾害易发区地质地形变化特征建模分析。一是在GIS的基础上进行可变地形特征三维建模，其原理是在计算机硬、软件系统支持下，对灾害易发区的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析等，为三维建模提供数据支撑，从而实现地形特征建模分析[2]。二是在地形微变远程监测系统基础上进行可变地形特征三维建模，其原理是利用步进频率连续波和合成孔雷达技术实现三维建模[3]。其三是利用机载摄影机进行数据采集，构建二次曲面拟合模型，对LiDAR地形数据与实测数据进行拟合，从而实现三维建模的一种方法[4]。上述三种建模方法，虽然都比较简便、快捷，但是由于均采用单点采集方式，很难反应可变地形的全部特征，导致建模精度受到影响，从而造成灾害区可变特征建模效果较差。

针对上述问题，本次在三维激光扫描系统的基础上进行灾害易发区大场景可变地形特征三维建模研究。利用三维激光扫描仪采集灾区地形表面点的三维坐标，并以“点云”的数据形式储存到计算机当中，然后在计算机当中进行数据处理，最后根据处理好的数据绘制线、面、体，实现“实景复制”，建立地形的三维模型[5]。为验证本建模方法的有效性，进行仿真测试实验，结果表明：与三种传统可变地形特征三维建模方法相比，利用基于三维激光扫描仪的灾害易发区大场景可变地形特征建模方法能够获取较好的可变地形特征模型，逼真度较高，与真实结果更为接近。由此可见，本建模方法精度较高，达到了本次研究的目的。

2 基于三维激光扫描系统的地形特征三维建模

地质灾害易发区是指具备地质灾害(山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等)发生条件(地质构造、气候、地形地貌)的区域[6]。地质灾害易发区域危险性极高，因此对其地形特征建模分析十分必要。

三维激光扫描系统的灾害易发区大场景可变地形特征三维建模方法主要分为三个步骤：

步骤1：按照毫米级采样间隔，利用三维激光扫描系统获取灾害易发区地形地貌特征图像；

步骤2：对获取到的图像进行处理，包括信号放大、信号转换、图像去噪处理；

步骤3：根据处理好的图像数据建立地形三维模型。

2.1 三维激光扫描系统获取灾害区地形图像数据

三维激光扫描系统是一种新型的三维航空遥感技术，三维激光扫描系统主要由激光雷达、GPS(全球定位系统)、IMU(惯性导航系统)、CCD摄像机、PC机以及其它附件组成。

1)激光雷达是通过发射激光束来探测目标状态特征的一种雷达系统，其组成结构为激光发射机、光学接收机、磁盘阵列、信息处理系统、中心控制芯片等，基本运行思路如下：由激光发射机发射脉冲激光，当脉冲激光信号打到灾害易发区地表上时，脉冲激光会发生散射作用，其中一部分激光信号会被光学接收机采集到，最后依据脉冲测距法计算，就可得到从激光雷达到地面的距离。如此循环往复的扫描灾害易发区地表，就可确定地表上全部目标点的三维坐标[7]。

在上述激光雷达运行中，脉冲测距法是关键，其原理是通过比较激光信号从发射到反射完成的时间差，来计算激光雷达到灾害易发区地表的距离，其原理公式如下：

(1)

公式中，Y为激光雷达到灾害易发区地表的距；v为脉冲激光传播速度；Δt为时间差。

2)惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过陀螺的输出建立导航坐标系，从而根据加速度对导航时间进行积分，并把导航积分时间变换到导航坐标系中，则可计算出载体在导航坐标系中的速度和位置，如下图1所示[8]。

图1 惯性导航系统基本工作原理

3)CCD摄像机

CCD摄像机作用是采集灾害易发区地形地貌的影像信息，目的是通过影像信息辅助数据信息建立真实、直观、逼真的三维特征模型。

2.2 可变地形图像处理

在上述图像采集结束后，并不能直接用于三维建模，还需要进行进一步处理，才能保证后续建模精度。在这里主要处理内容如下：电压信号放大、电压信号转换以及图像去噪处理。

1)电压信号放大

光学接收机在散射信号的采集过程中，部分信号会受到环境因素的影响被削弱，这会导致建模数据缺失，所以需要利用放大器对其进行放大，增大信号的电压幅度或功率[9]。

2)电压信号转换

电压信号转换主要通过电压转换器完成，其作用是将输入的交流电压转换成(4～20)mA或(1～5)V标准信号输出，其电路组成如图2所示。

图2 电压转换器电路组成

3)图像去噪处理

利用CCD摄像机采集到的灾害易发区可变地形地貌图像会受到设备或周围环境影响，使得图像质量降低，最终影响建模的清晰度。目前图像去噪技术有均值滤波、中值滤波、维纳滤波等[10]。在这里采用均值滤波来完成图像去噪，其原理是用某一像素邻域内各像素的灰度平均值取代该像素原来的灰度值，原理公式如下：

(2)

公式中，G(x，y)为去噪后的图像；f(x，y)为原始图像；(x，y)为图像中的像素点；z为领域集合；m为领域集合内坐标总数。

2.3 绘制地形特征三维模型

在上述两个环节结束后，开始正式进入灾害易发区大场景可变地形特征三维建模实现阶段。该阶段的任务主要有三个：可视化映射，即将上述得到的数据转换为几何图形要素(点、线、面)；进行三维图形绘制，即依据上述得到的几何图形要素按照数字高程模型将其转换成三维立体图像[11]。这一过程较为复杂，可以借助相关软件来完成，如OpenGL、GEOVRML等。三维模型显示，即将建立好的地形三维立体模型在特定的窗口系统中动态输出。下图3为灾害易发区大场景可变地形特征三维建模实现流程。

图3 可变地形特征三维建模实现流程

地形三维立体建模过程中，其中一个关键步骤是选择合理地形模型结构类型。而在选择合理地形模型结构类型时，不得不提到数字高程模型，该模型英文简称DEM，它是对自然地理空间中动态地理现象模型化表达和模拟，其定义用数学原理描述如下

DEM={pj，Hj，a，Ki∈S}

(3)

其中，Ki为点云连接的线、面集合；S为选定的灾害易发区；pj为内插点；a为点云连接规则；Hj为连续函数。

当点云连接规则a为正方形网格时，就形成一种地形模型结构，即规则格网地形建模(见图4)。其基本思路如下：在保证建立的网格是有序、规则且等大的前提下，利用网格的行列可以计算出每个网格点的具体三维坐标，并与此同时，记录每个网格所在地区的平均高程，最后运用OpenGL或GEOVRML，在插值算法的应用下，与CCD摄像机采集到的灾害易发区可变地形地貌图像相结合，即可完成地形三维特征建模。

图4 规则格网

当点云连接规则a为三角形网格时，就形成一种互不交叉、互不重叠的三角形网格，即不规则三角格网地形建模(见图5)，其基本思路如下：不同于上述点云的规则分布，该种形式下，其点云的布局方式为不规则排列，所以连接成网格时，需要在某种规则的引导下与临近点进行连接，由此可形成大小不宜，但疏密的三角型网格，以此来模拟地形变化。

图5 不规则三角格网

在上述两种模型结构类型中，较为常用的是后者，因为不规则的三角形网格拥有非常好的拓扑关联性质，所以对灾害易发区大场景可变地形特征的模拟能够更加接近真实地形形态，三维建模精度更高。

除了以上模型结构类型合理选择这一关键点之外，在建模时另一个关键点是选择三维可视化实现工具。三维可视化实现工具是地形三维模型建立完成后的动态输出窗口，很大程度能够影响模型最后的呈现效果。

当前三维可视化工具主要有两种：OpenGL和GEOVRML。其中，OpenGL是定义了一个跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业的图形程序接口。它广泛应用于三维图像，是一个功能强大、调用方便的底层图形库，其主要负责的范围为坐标变换、光照和材质支持、纹理映射、图像增强等。GEOVRML，中文为地理虚拟建模语言，其工作原理是通过虚拟建模语言，即VRML，来进行地形地貌描述，目的是让用户通过一个在Web浏览器安装的标准VRML插件来浏览地理参考数据、地图以及三维地形模型。最大优势在于能够支持多种坐标系统和投影系统、数据精度更高、三维建模功能更加强大、代码开放、易于集成、交互能力强大。

3 仿真测试实验

叙永县是四川泸州下辖县，位于四川盆地南缘，属亚热带湿润性季风气候，全年平均温度17.9℃，降雨量1172.6毫米，地貌多为中山、低山，地势由东南向西北倾斜，罗汉林为最高，海拔1902米，境北江门峡谷为最低海拔247米。2018年12月10日，叙永县发生滑坡灾害，为人民带来了严重生命财产损失。本次仿真测试实验就以该地区的可变地形为研究对象，进行模型逼真度测试。原始地形图为下图6所示。

图6 原始地形图

现在按照正文中的流程进行操作，其得到的示意图如下图7所示。

图7 建模结果示意图

为保证本次测试结果的有效性，利用基于GIS的可变地形特征三维建模方法、基于地形微变远程监测系统是可变地形特征三维建模方法、基于机载摄影机的可变地形特征三维建模方法进行再次建模，最后并协同图7(d)与图6的原始图片进行逼真程度对比，结果如下表1所示。

表1 四种方法下可变地形特征三维模型逼真度

从表1中可以看出，四种灾害易发区大场景可变地形特征三维建模方法中，本文方法运行下，建立的地形三维立体模型与真实山地图像逼真度最高，达到96.5%，比三种传统可变地形特征三维建模方法分别提高6.1%、5.3%和8.2%。由此可见，本次研究的建模方法性能更好。

4 结束语

综上所述，在自然以及人为因素的影响下，不可避免的会发生地质灾害，给人们的生命财产安全带来了极大威胁，因此实时对灾害易发区大场景可变地形进行监测是十分必要的，在监测过程中，可变地形建模是一项重要工作。本文设计一种基于三维激光扫描系统的可变地形特征三维建模方法。该方法最大的创新点在于利用三维激光扫描系统来实现点云数据采集工作，数据准确性更高，因而建模的逼真程度更高，弥补了传统方法存在的不足。