曹超 蔡鋒 吳劍 陳慶輝 鄭勇玲 吳承強(qiáng)

摘要：隨著海島開發(fā)利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的頻繁，高效、精準(zhǔn)地獲取海島形態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就顯得尤為迫切。三維地形地貌探測(cè)和構(gòu)建技術(shù)的日臻完善，及時(shí)解決了海島基礎(chǔ)勘測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、精度小的問題。文章通過三維激光掃描和無人機(jī)航測(cè)手段，全覆蓋掃描廣西小廟墩（炮臺(tái)口）海島表面形態(tài)，結(jié)合RTK-DGPS實(shí)測(cè)驗(yàn)證和近景攝影測(cè)量，獲取海島實(shí)景，運(yùn)用Geomagic Studio和Smart3D等軟件，構(gòu)建典型海島三維數(shù)字高程模型（DEM），融合多源數(shù)據(jù)和海島實(shí)景，還原海島高精度仿真三維形態(tài)。為高精度勘測(cè)海島提供有效手段，為海島基礎(chǔ)地理信息獲取、地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：海島;多源數(shù)據(jù);三維形貌;融合;情景識(shí)別

Abstract：With the development and utilization of islands and the frequent construction of infrastructure，it is particularly urgent to obtain the basic data of island form efficiently and accurately.The improvement of the three-dimensional topographical feature detection and construction technology has solved the problem of long island exploration time，low efficiency and low precision.In this paper，through the three-dimensional laser scanning and unmanned aerial vehicle aerial survey，the full coverage of the surface pattern of the small temple pier in Guangxi，combined with RTK-DGPS measurement verification and close-range photogrammetry，to obtain the island real scene，using software such as Geomagic Studio and Smart3D，construct a typical island three-dimensional digital elevation model，combine multi-source data and island real scene，and restore the high-precision simulation three-dimensional shape of the island.It provided an effective means for high-precision survey of islands，and provided basic data support for island-based geographic information acquisition，identification of geological disasters and restoration of ecological environment.

Keywords： Island，Multivariate data，3D geomorphology，F(xiàn)usion，Scene recognition

0 引言

海島是人類開發(fā)海洋的遠(yuǎn)涉基地和前進(jìn)支點(diǎn)，是海洋的第二經(jīng)濟(jì)區(qū)，在國(guó)土劃界和國(guó)防安全上也有特殊重要地位[1]。我國(guó)海島94%屬于無居民海島，它們大多面積狹小，地域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境相對(duì)封閉，生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成也較為單一，生物多樣性指數(shù)小，穩(wěn)定性差，生態(tài)脆弱性顯著[2]。隨著海島開發(fā)利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的頻繁，高效、精準(zhǔn)地獲取海島形態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就顯得尤為迫切。三維地形地貌探測(cè)和構(gòu)建技術(shù)的日臻完善，解決了海島基礎(chǔ)勘測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、效率低、精度小的問題。通過遙感、無人機(jī)航拍、三維激光掃描等精細(xì)探測(cè)手段對(duì)典型海島進(jìn)行三維形態(tài)掃描，構(gòu)建島陸和島灘立體式、系統(tǒng)性三維可視化形貌模型，為海島基礎(chǔ)地理測(cè)繪提供第一手資料，為進(jìn)一步研究海島地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別、生態(tài)環(huán)境修復(fù)以及權(quán)益海島資源監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，為我國(guó)海島資源的健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

本研究選取位于欽州市犀牛腳鎮(zhèn)烏雷村東南的小廟墩作為研究對(duì)象。因島上設(shè)有古炮臺(tái)，又近烏雷嶺又名烏雷炮臺(tái)。海島長(zhǎng)約198 m，寬約81 m，島陸面積約0.006 km2，海岸線長(zhǎng)約507 m。最高點(diǎn)位于海島中部偏南，高約7.7m（N21°35.9′，E108°44.4′），距大陸最近距離為366 m。海島呈彎月形，NW—SE走向，東北面為內(nèi)灣，西南面為外灣，中間高，兩頭低。小廟墩為基巖海島，基底由紅色火山巖構(gòu)成，出露地層為侏羅紀(jì)中侏羅統(tǒng)。臨岸為低丘，屬于侵蝕—?jiǎng)兿鞯颓鹋_(tái)地。東南部為基巖海岸，其余部分多為礫石質(zhì)海岸，其中南面是巖灘和礫石灘，北端有部分沙灘及沙礫混合灘，呈南部侵蝕、北部淤積的狀況[3]。

1 數(shù)據(jù)融合方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

多源數(shù)據(jù)融合最大的“瓶頸”在于數(shù)據(jù)的時(shí)效性和統(tǒng)一性，不同類型的數(shù)據(jù)由于受到衛(wèi)星過境時(shí)間、氣候環(huán)境以及自身?xiàng)l件的影響，很難做到在同一時(shí)間尺度內(nèi)，這就給多源數(shù)據(jù)的融合、應(yīng)用、分析和研究帶來了障礙和“瓶頸”，在一定程度上制約了結(jié)果的可信度和科學(xué)性。無人機(jī)平臺(tái)、站載式三維激光掃描儀等系統(tǒng)由于其靈活和機(jī)動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了這個(gè)難題，能夠最大程度上保證空間數(shù)據(jù)時(shí)效的統(tǒng)一性，即：獲取的多源數(shù)據(jù)可以都處于同一時(shí)間內(nèi)，增加了不同數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，大大提升了多源數(shù)據(jù)綜合分析、研究的可信度和科學(xué)性。但由于無人機(jī)平臺(tái)受到自身荷載的局限，無法搭載大型、沉重的傳感器設(shè)備，以及如何保持續(xù)航時(shí)間、維持飛行控制和導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性、地面控制以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗屑夹g(shù)問題都制約著無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展[4-6]。通過無人機(jī)搭載輕薄的數(shù)碼照相機(jī)作為光學(xué)傳感器為主，來獲取實(shí)時(shí)高清航拍圖片。聯(lián)合站載式三維激光掃描儀進(jìn)行融合、分析和應(yīng)用（圖1），實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間尺度上多源數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)多源數(shù)據(jù)來進(jìn)行海島地質(zhì)災(zāi)害體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和協(xié)同識(shí)別研究。

本研究采用美國(guó)Trimble公司的固定翼無人機(jī)（UAV）作為遙感數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，獲取空間分辨GSD達(dá)厘米級(jí)的航拍圖像（最大抗風(fēng)能力達(dá)18 m/s），滿足海島特殊自然環(huán)境條件，能夠保證快速、穩(wěn)定、安全的飛行。經(jīng)過廠家校正和改進(jìn)的SONY單反數(shù)碼相機(jī)（NEX-5T）作為高分辨率圖像傳感器，獲取圖像的空間分辨率GSD（依據(jù)飛行高度）可達(dá)2.4～24 cm。

采用Trimble公司的TX8三維激光掃描儀采集典型海島地形數(shù)據(jù)（空間點(diǎn)云信息）。對(duì)于平緩的地形條件下，通過提取完整波形數(shù)據(jù)，對(duì)波形進(jìn)行變換和濾波、噪聲處理、平滑和擬合;在復(fù)雜地形條件下，引入偏度平衡算法對(duì)空間點(diǎn)云進(jìn)行濾波，通過計(jì)算點(diǎn)云的偏度（SK），并與峰度（KU）相比較，區(qū)分出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，分別生成DEM和DSM，再計(jì)算兩者之間的差值得到CHM[7]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Trimble Realworks軟件處理、分析、管理海島多源數(shù)據(jù)集（點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式）。實(shí)現(xiàn)量測(cè)平距、斜距、垂距、凈空、直徑、角度、方位角、坡度、傾角和坐標(biāo)等一系列數(shù)據(jù)拼接、融合、統(tǒng)一。利用點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)功能、生成點(diǎn)云配準(zhǔn)數(shù)據(jù)云圖（圖2）。

2 海島三維形態(tài)建模與表征

2.1 實(shí)體影像貼膜

利用3D MAX的box構(gòu)建物體的三維模型，然后將人工拍攝的照片對(duì)應(yīng)相應(yīng)地物進(jìn)行紋理顏色貼圖。但對(duì)于海島數(shù)據(jù)來說，島上的特征地物島礁石、細(xì)小沙粒等物體的體積小，數(shù)量多，以此種形式耗費(fèi)的人力物力較多，且無法保證最終建出的模型精度。而且分塊貼圖不同物體的銜接部分不易處理，容易出現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)變突兀的情況，失去真實(shí)感。因此，為解決融合過程中出現(xiàn)的失真問題，我們引入Smart3D。Smart3D可以利用普通照片快速為各種類型的細(xì)微形貌生成高精度的現(xiàn)狀三維模型，能快速創(chuàng)建細(xì)節(jié)豐富的三維實(shí)景模型，小到幾厘米的物體，大到整個(gè)城市，只受限于照片的分辨率，而生成的三維模型的精細(xì)程度沒有限制。但海島的面積較大，無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的速度快，但是分辨率達(dá)不到島礁石紋理清晰的程度，而人工手動(dòng)拍攝分辨率可以保證，但在保證重疊率的情況下工作量較大，實(shí)行困難[8-9]。

因此，我們優(yōu)化3D MAX、Smart3D、Geomagic Studio軟件，自動(dòng)建模和人工甄別相結(jié)合，構(gòu)建典型海島三維形貌模型。

2.2 海島三維形貌模型構(gòu)建

掃描得到的數(shù)據(jù)在Trimble Realworks中進(jìn)行拼接成整幅的點(diǎn)云數(shù)據(jù);Geomagic Studio用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型封裝，得到的白模如圖3所示。

利用TX8掃描得到精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Geomagic Studio中進(jìn)行模型封裝，對(duì)于不能閉合的地方進(jìn)行手動(dòng)填補(bǔ)。融合無人機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行空三解算，軟件通過后方交會(huì)的算法確定每個(gè)地物的特征點(diǎn)，自動(dòng)識(shí)別相鄰的點(diǎn)，匯集到一起得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建mesh網(wǎng)格，將無人機(jī)拍攝的影像生成的正射圖貼合到白模中，從而得到三維模型[10-11]。

2.3 海島三維形貌表征

利用TX8掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio中生成較高精度的白模，無人機(jī)拍攝的三維影像在UASMaster中生成整幅正射影像，利用Global Mapper將正射影像與白模相結(jié)合生成最終的三維模型。具體影像如圖4所示。

通過多源數(shù)據(jù)的融合，有效表征小廟墩島陸、島灘形態(tài)特征，真實(shí)還原其植被、地物特性。其構(gòu)建的海島三維模型分辨率大、精度高，為下一步海島開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

（1）無人機(jī)影像平臺(tái)和三維激光掃描儀協(xié)同采集地面數(shù)據(jù)，既獲取真實(shí)的光學(xué)影像數(shù)據(jù)，又高效獲取高精度三維矢量數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)融合后，生成三維可視化模型，為還原大區(qū)域（海島）、小地物（微細(xì)地貌、海蝕孔穴）等復(fù)雜場(chǎng)景的真實(shí)原貌提供有效手段。

（2）通過TX8掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio中生成白模，結(jié)合無人機(jī)影像數(shù)據(jù)在UASMaster中生成正射影像，在Global Mapper中將正射影像圖融合到白模上面形成高精度典型海島三維形態(tài)模型。突破了以往用3D MAX以及Smart3D等直接利用單一手段進(jìn)行建模的傳統(tǒng)思維，不僅提高空間精度，又提高了建模效率。

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