基于三维激光扫描的GBInSAR三维位移场提取方法

摘要

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。

说明书

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(SyntheticApertureRadarInterferometry， 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，GroundBasedInSAR)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,Δ z)；

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。