CN105783754B - 基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，该方法是通过利用GBInSAR对监测区域进行高精度监测的同时，利用三维激光扫描仪对监测区域进行精细扫描，分别得到两者的变形信息，然后将其进行精确配准，利用三维激光扫描得到的投影角和GBInSAR高精度的视线向位移，有效的将两者的变形信息融合在一起，最终得到高精度的三维位移场。本发明所达到的有益效果：通过三维激光获取变形体的三维变形信息，结合GBInSAR技术获取雷达视线向的距离，实现高精度三维位移场的快速获取，具有速度快、精度高、覆盖范围广、便携、易操作、全天候等优点，对地形变监测技术领域具有良好的理论意义和实际应用价值。

Description

基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，属于地基雷达干涉测量技术领域。

背景技术

变形监测是对被监测的对象或物体进行测量，以确定其空间位置及内部形态随时间的变化特征。传统的监测手段由于空间分辨率低、连续性差、受环境影响大等缺点，阻碍了变形监测的应用和发展。如何快速获取变形体高精度、高空间分辨率的三维位移场信息已成为变形监测的研究重点。

近年来，合成孔径雷达干涉测量(Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR)技术为变形监测开辟了一条新的道路。随着InSAR遥感技术的不断发展与完善，该技术已成功应用于地质、水文、测绘、军事、环境监测等领域。

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能够快速获得原始测绘数据并高精度地重建扫描实体的三维模型。该技术精度高、速度快、应用范围广，克服了传统方法单点测量的缺陷，是目前国内外测绘领域研究的热点之一，已广泛应用于建筑物的变形监测。

地基合成孔径雷达干涉测量(GBInSAR，Ground Based InSAR)作为一种新型的对地形变监测技术，其优点主要有：速度快、精度高、覆盖范围广、便携、易操作、全天候等。GBInSAR虽是一种极具潜力的新型空间大地测量方法，GBInSAR技术只能获取雷达视线向的距离，不能直接提取变形体的三维位移场，限制了GBInSAR的应用。而三维激光可以获取变形体的三维变形信息，但其观测范围有限。如果将这两种技术融合，取长补短，可获取高精度的三维位移场。GBInSAR和三维激光扫描融合可实现高精度三维位移场的快速获取，但目前对融合技术的研究尚不够深入。因此，开展对GBInSAR和三维激光扫描融合技术的研究，提出一套切实可行的技术方案，具有良好的理论意义和实际应用价值。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够高精度融合三维激光和GBInSAR变形信息得到高精度的三维位移场。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，包括如下步骤：

1)选择监测区域，在监测区域内合适位置处放置三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置；所述三维激光扫描仪的位置坐标为L(x_L,y_L,z_L)，GBInSAR观测装置的位置坐标为G(x_L,y_L,z_L)；

2)在监测区域内放置若干个角反射器，分别计其坐标N为角反射器的个数，作为后期两种变形数据的配准控制点使用；

3)利用三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置对监测区域同时监测，获取监测区域的监测信息：

对三维激光扫描仪获取的点云数据进行配准得到监测点的变形量(Δx,Δy,Δz)；

对GBInSAR影像数据进行配准、干涉、解缠等处理，得到雷达高精度视线向位移los；

4)在GBInSAR影像数据和三维激光扫描仪获取的点云数据中，提取监测区域内角反射器在各自坐标系下的坐标，分别记为统一坐标系，利用下式分别将三维激光扫描坐标和GBInSAR坐标转化到基准坐标系下，其中，表示GBInSAR的像素坐标向基准坐标的转换函数，表示三维激光扫描数据向基准坐标的转换函数，转换函数采用多项式函数或者其它函数；

5)经过配准之后，三维激光扫描监测数据和GBInSAR监测数据配准到统一基准坐标系下，利用坐标反算以下公式求得投影角α,γ：

6)利用得到的α,γ和GBInSAR得到的高精度视线向位移los计算三维位移场：

前述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述步骤1)中，监测区域须为地表植被覆盖较少，具有一定坡度，且周围环境变化较小。

前述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述步骤1)中三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置的监测范围大致相同。

前述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述步骤1)中三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置位于同一水准面，相隔距离依据经验值设置。

前述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述监测区域内的角反射器均匀分布在监测区域内。

本发明所达到的有益效果：通过三维激光扫描获取变形体的三维变形信息，结合GBInSAR技术获取雷达视线向高精度的位移，实现高精度三维位移场的快速获取，具有速度快、精度高、覆盖范围广、便携、易操作、全天候等优点，对地形变监测技术领域具有良好的理论意义和实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的三维位移场提取流程图；

图2是基于三维激光扫描的GBInSAR提取三维位移场原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明涉及一种基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，包括以下步骤：

1)选择监测区域，在监测区域内合适位置处放置三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置，如图1所示，三维激光扫描仪的位置坐标为L(x_L,y_L,z_L)，GBInSAR的位置坐标为G(x_L,y_L,z_L)，使两者的监测范围大致相同。

监测区域须为地表植被覆盖较少，具有一定坡度，且周围环境变化较小。三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置的监测范围大致相同，装置位于同一水准面，相隔距离依据经验值设置。

2)在监测区域内放置若干角反射器，分别计其坐标N为角反射器的个数，作为后期两种变形数据的配准控制点使用。优选地，监测区域内的角反射器均匀分布在监测区域内。

3)利用三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置对监测区域同时监测，获取监测区域的监测信息，对三维激光扫描仪获取的点云数据进行配准得到监测点的变形量(Δx,Δy,Δz)，对GBInSAR影像数据进行配准、干涉、解缠等处理，得到雷达视线向高精度位移。

4)在GBInSAR影像数据和三维激光扫描仪获取的点云数据中，提取监测区域内角反射器在各自坐标系下的坐标，分别记为

为了统一坐标系，利用下式分别将三维激光扫描坐标和GBInSAR坐标转化到基准坐标系下，表示GBInSAR的像素坐标向基准坐标的转换函数，表示三维激光扫描数据向基准坐标的转换函数，转换函数可以采用多项式函数或者其它函数。

5)经过配准之后，三维激光扫描监测数据和GBInSAR监测数据配准到统一基准坐标系下，利用坐标反算公式求得α,γ，

6)利用得到的α,γ和GBInSAR得到的高精度视线向位移los计算三维位移场：

本发明通过三维激光获取变形体的三维变形信息，结合GBInSAR技术获取雷达视线向的距离，实现高精度三维位移场的快速获取，具有速度快、精度高、覆盖范围广、便携、易操作、全天候等优点，对地形变监测技术领域具有良好的理论意义和实际应用价值。

上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，包括如下步骤：

1)选择监测区域，在监测区域内合适位置处放置三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置；

所述三维激光扫描仪的位置坐标为L(x_L,y_L,z_L)，GBInSAR观测装置的位置坐标为G(x_L,y_L,z_L)；

2)在监测区域内放置若干个角反射器，分别计其坐标N为角反射器的个数；

3)利用三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置对监测区域同时监测，获取监测区域的监测信息：

对三维激光扫描仪获取的点云数据进行配准得到监测点的变形量(Δx,Δy,Δz)；

对GBInSAR影像数据进行配准、干涉、解缠处理，得到雷达高精度视线向位移los；

4)在GBInSAR影像数据和三维激光扫描仪获取的点云数据中，提取监测区域内角反射器在各自坐标系下的坐标，分别记为

统一坐标系，利用下式分别将三维激光扫描坐标和GBInSAR坐标转化到基准坐标系下，其中，表示GBInSAR的像素坐标向基准坐标的转换函数，表示三维激光扫描数据向基准坐标的转换函数，转换函数采用多项式函数或者其它函数；

5)经过配准之后，三维激光扫描监测数据和GBInSAR监测数据配准到统一基准坐标系下，利用坐标反算以下公式求得投影角α,γ：

6)利用得到的α,γ和GBInSAR得到的高精度视线向位移los计算三维位移场：

所述监测区域内的角反射器均匀分布在监测区域内；

所述步骤1)中三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置位于同一水准面，相隔距离依据经验值设置。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述步骤1)中，监测区域须为地表植被覆盖较少，具有一定坡度，且周围环境变化较小。

3.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法，其特征是，所述步骤1)中三维激光扫描仪和GBInSAR观测装置的监测范围大致相同。