劉勝杰，黃振利，楊 磊，劉云龍

(中國人民解放軍第32022部隊(duì)，武漢 430079)

0 引言

反射式激光雷達(dá)是用來檢測目標(biāo)位置和速度等特征的雷達(dá)系統(tǒng)，其工作運(yùn)行方式是將探測信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)，并將所接收到的目標(biāo)回波信號(hào)與所發(fā)送的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行對比，經(jīng)過合適的預(yù)處理即可獲取目標(biāo)的相關(guān)資訊，如距離、方位、高度、速度、姿態(tài)和形狀等，從而探測出目標(biāo)。反射式激光雷達(dá)將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相融合，通過兩者密切配合可以準(zhǔn)確地分辨特定的反射速度所造成的沖擊痕跡，能夠獲得精確的數(shù)字高程模型，具有激光的測距精度高的技術(shù)優(yōu)勢。

我國是一個(gè)國土遼闊、森林資源豐富的國家，多樣的地理類型造就了多樣的水土類型[1]。隨著地殼的運(yùn)動(dòng)，地貌在潛移默化中發(fā)生巨大的改變。由于我國基建需求，自20世紀(jì)80年代開始對山地樹木、礦山大量開采，從而導(dǎo)致我國大量的土地水資源流失，山體框架改變，極易引發(fā)泥石流、滑坡等自然災(zāi)害[2-3]?；谏鲜鰡栴}，對我國山地地理特征進(jìn)行必要的測量監(jiān)測，就成為政府林業(yè)部門急需解決的問題之一。針對這一問題的研究較多，以遙感圖像為基礎(chǔ)的監(jiān)測測量方法，在這方面起到巨大的作用，為了能夠更加明確我國山地地理現(xiàn)狀，相關(guān)學(xué)者一直對我國山地的地理監(jiān)測方法展開進(jìn)一步優(yōu)化研究。

文獻(xiàn)[4]中首先將基站作為遠(yuǎn)端散射體，移動(dòng)臺(tái)作為近端散射體對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；通過采集結(jié)果建立三維的信道模型；通過米塞斯分布方法獲取模型方位角、仰角等分布參數(shù)；利用相關(guān)函數(shù)計(jì)算模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)地理的監(jiān)測。該方法由于未能在地理監(jiān)測過程高度以來參數(shù)精度，導(dǎo)致該方法在監(jiān)測時(shí)難以有效地監(jiān)測到地理的變形量。文獻(xiàn)[5]中提出基于GNSS/INS緊耦合的水陸地理三維一體化崩岸監(jiān)測方法。該方法在利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實(shí)施緊耦合處理的基礎(chǔ)上，通過時(shí)間匹配的方式分析數(shù)據(jù)誤差，再通過時(shí)間歸算完成地理監(jiān)測。該方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配時(shí)，存在耗時(shí)問題，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測效果存在弊端。文獻(xiàn)[6]中提出礦區(qū)地表移動(dòng)“空天地”一體化監(jiān)測方法。該方法基于采集的相關(guān)數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果建立空天地一體化監(jiān)測體系；并基于相關(guān)要求制定高精度、高效率的監(jiān)測準(zhǔn)則；使用三維激光掃描技術(shù)運(yùn)行監(jiān)測體系，實(shí)現(xiàn)對地理的監(jiān)測。該方法在制定監(jiān)測準(zhǔn)則時(shí)，約束條件過多，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測應(yīng)用性能差。主要因?yàn)樯鲜鲆曰夭ㄖ貥?gòu)方法為基礎(chǔ)的地理測繪勘探在山地區(qū)域應(yīng)用，會(huì)出現(xiàn)光斑回波疊加，導(dǎo)致特征監(jiān)測效果差。文獻(xiàn)[7]提出背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖精度試驗(yàn)研究，在大規(guī)模地圖上使用背負(fù)移動(dòng)的激光掃描儀，以蘇州工業(yè)區(qū)的測繪GIS大廈為對象，對點(diǎn)云進(jìn)行了預(yù)處理，提取特征點(diǎn)，并將特征點(diǎn)以MicroStation V8聯(lián)圖的方式繪出1：500的地圖。該方法在測繪時(shí)難以有效地監(jiān)測到地理的實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致測繪不精準(zhǔn)。文獻(xiàn)[8]提出機(jī)載激光雷達(dá)輔助地形圖繪制的應(yīng)用實(shí)踐，利用航空攝影技術(shù)將激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航、高精度數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)等資料收集，再進(jìn)行高線的提取、修改和上報(bào)等工作，該方法在繪制中存在誤差，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測效果不佳。

為解決上述地理監(jiān)測過程中存在的問題，本研究通過采集反射式激光雷達(dá)光斑數(shù)據(jù)，結(jié)合抗干擾模型，實(shí)現(xiàn)對山地地理測繪勘探區(qū)域的優(yōu)化監(jiān)測。所研究內(nèi)容的創(chuàng)新點(diǎn)是優(yōu)化設(shè)計(jì)反射式激光雷達(dá)在山地地理測繪勘探中的應(yīng)用過程，確定其相關(guān)參數(shù)。并通過分區(qū)對山地地理掃描，整合掃描結(jié)果，采集該山地地理特征的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。同時(shí)設(shè)計(jì)一種光斑回波波形分解模型，通過分解處理獲取地理特征，去除光斑回波疊加干擾。研究表明，本文方法進(jìn)行地理變形監(jiān)測時(shí)效果較好。

1 反射式激光雷達(dá)山體地理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程設(shè)計(jì)

常規(guī)的激光雷達(dá)多維透射式系統(tǒng)光學(xué)接收裝置的厚度過大、透光率低，增加接收裝置的發(fā)射功率后，山地低空近距離的回波信號(hào)很強(qiáng)，容易造成接收系統(tǒng)飽和，甚至造成高靈敏度的探測器失效，且其主光學(xué)孔徑通常為中等孔徑，在實(shí)際應(yīng)用中由于制造材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)和發(fā)射體積等因素的限制，使得中等孔徑的分布變得極為困難，不適合大范圍山地使用。故本文利用反射式激光雷達(dá)完成山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測，反射式激光雷達(dá)的應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 反射式激光雷達(dá)原路圖

假設(shè)β1表示副鏡放大率，β2表示第三鏡放大率，β3表示第四鏡放大率。不同鏡片的曲率半徑的約束條件如下：

(1)

物鏡鏡片間距應(yīng)當(dāng)滿足如下關(guān)系：

(2)

反射式激光雷達(dá)發(fā)射的激光照射到障礙物以后，通過障礙物的反射，反射光線會(huì)經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上，如果靶放在拋物面鏡的焦點(diǎn)處，入射光線會(huì)被阻擋一部分，從而僅使用拋物面鏡的一部分，達(dá)到讓光束離軸入射的目的，因此需要設(shè)置第三鏡離軸角、副鏡離軸量等。依據(jù)此原則在應(yīng)用過程中，設(shè)置第三鏡離軸角為73.866°，副鏡離軸量為12.5 mm，在空間頻率801 p/mm處，MTP值均大于0.4，可較好區(qū)分入射、反射信號(hào)。反射式激光雷達(dá)山體地理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程具體步驟為：

步驟一：用脈沖激光器把激光信號(hào)送到反射鏡面上，然后到達(dá)電機(jī)掃描系統(tǒng)，再通過鏡子從山體處反射回來。

步驟二：把從山體處的回聲信號(hào)再向副鏡、第三反射鏡和第四反射鏡進(jìn)行反射，最終再向主反射鏡進(jìn)行反射，包括山形的回聲信號(hào)被反射至信號(hào)通路。

步驟三：由檢測器接受并對3個(gè)信道的激光回波進(jìn)行分析，再送至取樣回路，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 方法的優(yōu)化過程設(shè)計(jì)

2.1 山地區(qū)域光斑數(shù)據(jù)采集

假設(shè)反射式激光雷達(dá)設(shè)備在山地地理特征勘探過程中，其掃描儀高度為G、掃描半徑為R、掃描角度為β，且掃描高度會(huì)隨著掃描半徑及掃描角度的增加而逐漸增大[9-10]，表述形式如下所示：

G=R×cotβ

(3)

式(3)中，余切函數(shù)標(biāo)記為cot的形式。采用反射式激光雷達(dá)對山地地理的地面進(jìn)行投影計(jì)算時(shí)，激光雷達(dá)的豎直間距直接影響反射式激光雷達(dá)掃描結(jié)果，對此需對激光雷達(dá)的豎直間距進(jìn)行確定[11-12]，表達(dá)式為：

szl=d×tanβ

(4)

式(4)中，激光雷達(dá)掃描的豎直間距為szl，山地地面豎直間距為d，正切函數(shù)標(biāo)為tan。

最后依據(jù)上述流程確定反射式激光雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)，并通過分區(qū)對山地地理進(jìn)行一一掃描，整合掃描結(jié)果建立該山地地理數(shù)據(jù)集，由此設(shè)計(jì)光斑回波波形分解模型。

2.2 光斑回波波形分解模型設(shè)計(jì)

由于山地地理環(huán)境較為復(fù)雜，可以使雷達(dá)反射波變得雜亂而沒有規(guī)律，使反射式激光雷達(dá)接收機(jī)接收不到目標(biāo)的有效信號(hào)，從而無法對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和鎖定；發(fā)射機(jī)發(fā)射雷達(dá)波束，接收機(jī)接收從目標(biāo)處反射回來的反射式激光雷達(dá)波束，從而才能確定目標(biāo)的高度、速度、作標(biāo)、狀態(tài)等。因山地地理環(huán)境通常呈現(xiàn)中部高四周低的形態(tài)，會(huì)出現(xiàn)較為明顯的回波干擾，所以需要采用反射式激光雷達(dá)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分類別掃描，并建立對應(yīng)的光斑回波波形分解模型，對反射式激光光斑進(jìn)行針對性分解處理，提高對地理變形量的檢測效果，去除回波干擾。

1)區(qū)域類別1為山地平坦地理：

在山地平坦地區(qū)，反射式激光雷達(dá)回波脈沖波束寬度不會(huì)發(fā)生變化，所以反射回的回波波形形狀也處于不變的狀態(tài)[13-14]。設(shè)定山地目標(biāo)的散射角為各向同性散射，可將建立的回波分解模型轉(zhuǎn)換成高斯函數(shù)進(jìn)行表述，如下式所示：

(5)

式(5)中，地理的采樣時(shí)刻標(biāo)記為x，目標(biāo)組分位置標(biāo)記為η，脈沖寬度標(biāo)記為ε，建立的回波分解模型高斯函數(shù)表示形式為g(x)。

2)區(qū)域類別2為復(fù)雜地理：

在山地的復(fù)雜地理中，反射式激光雷達(dá)的發(fā)射脈沖在接收時(shí)會(huì)出現(xiàn)振幅衰減或反射回角度不同的問題[15-16]，脈沖寬度也被相對擴(kuò)寬，回波組分多樣后建立的回波分解模型如下式所示：

(6)

式(6)中，組分?jǐn)?shù)量標(biāo)記為m、位置標(biāo)記為ηj，組分脈沖波形標(biāo)記為gj(t)。由此完成光斑回波波形分解模型構(gòu)建，根據(jù)該模型，實(shí)施山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪處理。

2.3 山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪

傳統(tǒng)的反射式激光雷達(dá)勘探未曾識(shí)別地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)里的非線性關(guān)系，導(dǎo)致去噪后的時(shí)間序列核心信息缺損。小波降噪屬于一類性能十分突出的非線性濾噪方法，它的本質(zhì)為經(jīng)過對山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列的分解，研究分析并獲取山地地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)每部分中的“異?！背煞植⒑Y除屬于噪聲的成分，以此實(shí)現(xiàn)山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)去噪[17-18]。但是非線性系統(tǒng)的頻譜較寬，對山地地質(zhì)環(huán)境非線性時(shí)間序列濾噪時(shí)選取小波函數(shù)十分關(guān)鍵，必須準(zhǔn)確劃分哪些屬于有效信號(hào)，哪些屬于噪聲信號(hào)。

假定g(x)屬于山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)的監(jiān)測序列，在山地地理測繪勘探中把山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)描述成差異頻率成分的線性數(shù)據(jù)，如式(7)所示：

g(x)=Li(x)+Oi(x)

(7)

式(7)中，Li(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)處于空間x的投影，Oi(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)處于空間x的映射。山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)小波分解式如下所示：

(8)

式(8)中，F(xiàn)表示環(huán)境的脆弱性數(shù)據(jù)，根據(jù)山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)的尺度函數(shù)，Ti表示與之對應(yīng)的低通濾波器，Vi+1表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)的i+1分辨率離散細(xì)節(jié)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，山地地質(zhì)環(huán)境置信度表示為：

(9)

式(9)中，G表示山地地質(zhì)環(huán)境置信濾波因子，Ui+1表示山地地質(zhì)環(huán)境置信離散因子，Vi+1T表示山地地質(zhì)環(huán)境置信監(jiān)測信號(hào)在i+1分辨率中的離散細(xì)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)置[19]。

山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)重構(gòu)時(shí)，把和噪聲對應(yīng)的細(xì)節(jié)信號(hào)實(shí)行相關(guān)閾值處理，以此重構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)去噪，其表達(dá)式如式(10)所示：

(10)

式(10)中，gI(x)屬于g(x)濾波后的平滑數(shù)據(jù)，也屬于去噪后的山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號(hào)，LI(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境去噪信號(hào)處于空間x的投影，OI(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境去噪信號(hào)處于空間x的映射。為了優(yōu)化去噪效果，小波重構(gòu)時(shí)將細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)處理時(shí)必須掌握監(jiān)測序列的先驗(yàn)信息，即為掌握噪聲的種類，獲取山地地理檢測特征，完成山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪，根據(jù)去噪結(jié)果，獲取山地地理檢測特征。

2.4 山地地理監(jiān)測特征獲取

2.4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在測量山地地理地貌前，需要結(jié)合去除回波干擾后的數(shù)據(jù)集，建立平面坐標(biāo)系，并實(shí)現(xiàn)山地的高程轉(zhuǎn)換，消除坐標(biāo)失真的干擾?；诜瓷涫郊す饫走_(dá)光斑數(shù)據(jù)建立山地地理平面坐標(biāo)系[20-21]，再通過工程測量結(jié)果建立山地實(shí)測坐標(biāo)系，其發(fā)射過程如圖2所示。

圖2 反射式激光雷達(dá)線路圖

結(jié)合圖2，將該平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為參數(shù)模型轉(zhuǎn)換，假設(shè)X0、Y0均表示坐標(biāo)平移參數(shù)，ɑ表示旋轉(zhuǎn)參數(shù)，δ表示變換尺度，坐標(biāo)內(nèi)任意點(diǎn)標(biāo)記為R，位置標(biāo)記為(X1，Y1)以及(X2，Y2)形式，二者關(guān)系如下式所示：

(X2，Y2)=(X0，Y0)+(1+δ)F(α)(X1，Y1)

(11)

式(11)中，坐標(biāo)變換尺度矩陣標(biāo)記為F(ɑ)，利用最小二乘擬合方法對其進(jìn)行求解計(jì)算，過程如下式所示：

(12)

式(12)中，分塊編號(hào)標(biāo)記為i，擬合系數(shù)標(biāo)記為β(x)，基函數(shù)標(biāo)記為qi(x)，完備多項(xiàng)式標(biāo)記為e，數(shù)量標(biāo)記為k?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果，使用形函數(shù)對基函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而取得最佳擬合函數(shù)，過程如下式所示：

(13)

式(13)中，n階基函數(shù)標(biāo)記為y，擬合函數(shù)標(biāo)記為g(x)，形函數(shù)標(biāo)記為θn(x)，擬合因子標(biāo)記為ωki。最后通過該擬合函數(shù)完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.4.2 山地高程轉(zhuǎn)換

設(shè)定反射式激光雷達(dá)高程值為h，以此計(jì)算山地地理高程值起算面值hqs，過程如下式所示：

hqs=h+C

(14)

式(14)中，坐標(biāo)系的任意高程差標(biāo)記為C。設(shè)定坐標(biāo)系的任意高程差與平面坐標(biāo)之間存在關(guān)系，使用平面擬合法對二者關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，過程如下式所示：

C=F(x，y)=ox+py+q

(15)

式(15)中，山地平面坐標(biāo)標(biāo)記為F(x，y)，坐標(biāo)參數(shù)標(biāo)記為o、p、q，坐標(biāo)方向標(biāo)記為x、y。最后基于上式計(jì)算結(jié)果獲取各項(xiàng)參數(shù)，將反射式激光雷達(dá)高程值轉(zhuǎn)換成水平面高程值。

2.4.3 生成山地等高線

由于采集的反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量較大，故可利用曲率采樣法避免數(shù)據(jù)冗余對監(jiān)測結(jié)果的影響，具體過程如下：

1)設(shè)置一個(gè)百分?jǐn)?shù)，用最小二乘法求出面曲率。

2)將曲率計(jì)算結(jié)果排序，劃分為若干數(shù)據(jù)區(qū)域空間。

3)依據(jù)設(shè)定的百分比值獲取反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)乘積值，完成反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的再次采集，提取山地等高線。

4)基于獲取的山地等高線，建立山地?cái)?shù)字地理模型，完成山地地理測繪勘探區(qū)域的測量。

最后將測量結(jié)果與往年測量結(jié)果進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)山地地理的變形監(jiān)測。

3 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證上述基于反射式激光雷達(dá)山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測方法的整體有效性，設(shè)計(jì)如下測試過程。

實(shí)驗(yàn)以某地區(qū)為監(jiān)測對象，其位于東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°10′～29°11′之間，處于南昌市西郊30公里處，多為剝蝕低山丘陵，海拔一般標(biāo)高為300～500 m。研究地區(qū)地理范圍如圖3所示。

圖3 研究地區(qū)地理范圍圖

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果過于單一，實(shí)驗(yàn)過程中，分別采用反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集在山地地理監(jiān)測中的應(yīng)用(本文方法)、基于GNSS/INS緊耦合的水陸地三維一體化崩岸監(jiān)測技術(shù)(文獻(xiàn)[5]方法)、礦區(qū)地表移動(dòng)“空天地”一體化監(jiān)測技術(shù)研究(文獻(xiàn)[6]方法)進(jìn)行測試。

為使所獲取的點(diǎn)云在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進(jìn)行匹配和拼接，并在測區(qū)內(nèi)設(shè)置有分布于測區(qū)內(nèi)、各點(diǎn)之間相對穩(wěn)定的點(diǎn)。為獲得高精度的測量資料，采用與反射式激光雷達(dá)相對應(yīng)的目標(biāo)作為控制點(diǎn)，通過在選定的控制點(diǎn)上設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)，由于受測地形的變化，需要在地面上安裝反射式激光雷達(dá)，每一次掃描都要對同一目標(biāo)進(jìn)行掃描。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件為ENVI LiDAR，參數(shù)如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，展開具體的測試，過程如下：

1)首先選定較為平坦山地地理測繪勘探區(qū)域，設(shè)定反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)密度為1 643 pts/m2，平均點(diǎn)間距3.4 cm。分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

2)其次選取坡度較大但不突出的山地地理測繪勘探區(qū)域作為測試環(huán)境，設(shè)定該環(huán)境反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)密度574 pts/m2，數(shù)據(jù)平均點(diǎn)間距為4.6 cm。同樣分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

3)然后選取地勢復(fù)雜的山地地理測繪勘探區(qū)域作為測試環(huán)境，設(shè)定該環(huán)境反射式激光雷達(dá)數(shù)據(jù)密度35 pts/m2，數(shù)據(jù)平均點(diǎn)間距為14 cm，分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

4)之后在完成上述對于不同地勢的山地地理測繪勘探后，檢驗(yàn)3種方法下獲取到的山地地理數(shù)據(jù)的信噪比指標(biāo)。

5)最后在確定信噪比基礎(chǔ)上，對3種方法采集山地地理區(qū)域圖時(shí)存在的空洞情況進(jìn)行分析。

直接應(yīng)用反射式激光雷達(dá)儀器獲取檢測對象的地理勘探區(qū)域掃描圖，運(yùn)用3種方法在實(shí)驗(yàn)中得到的反射式激光雷達(dá)地理勘探區(qū)域掃描圖，具體如圖4所示。

圖4 反射式激光雷達(dá)地理掃描圖

由圖4可以看出，對比文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法，本文方法得到的反射式激光雷達(dá)地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對于山地地理的勘測。

針對平坦山地地理測繪勘探區(qū)域，選定500個(gè)數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)，其中1、3、5組含噪聲數(shù)據(jù)，2、4組為無噪聲數(shù)據(jù)，采用本文方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行地理監(jiān)測時(shí)，對3種監(jiān)測方法的監(jiān)測到的地理變形量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同監(jiān)測方法地理變形量監(jiān)測結(jié)果

分析圖5可知，組別的不同測試出的監(jiān)測效果也不相同。由于組2、組4中不存在噪聲數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際地理變形量之間存在的差距較小，而組1、組3和組5中存在噪聲數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測效果要較差。實(shí)際山地變形在0.505 m處上下波動(dòng)，本文方法在進(jìn)行地理監(jiān)測前，對地理的特征進(jìn)行了提取，所以在測試過程中，即便數(shù)據(jù)組別中存在大量噪聲數(shù)據(jù)，地理變形量的監(jiān)測結(jié)果依舊與實(shí)際地理變形結(jié)果相接近。而文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法測試出地理變形量與實(shí)際地理變形量之間存在較大誤差。由此可知，本文方法在進(jìn)行地理變形監(jiān)測時(shí)的監(jiān)測效果好。

針對坡度較大且光斑數(shù)據(jù)密度較大的山地區(qū)域，采集500個(gè)數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，采用本文方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行地理監(jiān)測時(shí)，測試該環(huán)境下的地理監(jiān)測效果，結(jié)果如圖6所示。

圖6 大坡度環(huán)境監(jiān)測效果測試結(jié)果

分析圖6可知，該環(huán)境山地變形量監(jiān)測效果與平坦無坡度環(huán)境的監(jiān)測效果之間存在些許差距。本文方法在進(jìn)行山地變形量監(jiān)測時(shí)監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際山地變形量監(jiān)測結(jié)果相差較小，在0.15 m處上下波動(dòng)，監(jiān)測誤差可忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[5]方法監(jiān)測結(jié)果低于本文所提方法檢測效果，高于文獻(xiàn)[6]方法監(jiān)測結(jié)果，文獻(xiàn)[6]方法監(jiān)測結(jié)果較差，與實(shí)際山地變形量之間存在明顯差距。由此可知，本文方法在山地坡度較大時(shí)，監(jiān)測效果較理想。

針對地勢復(fù)雜且光斑數(shù)據(jù)密度較小的山地區(qū)域，同樣采集500個(gè)數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，采用本文方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法進(jìn)行地理監(jiān)測時(shí)，測試該環(huán)境下的地理監(jiān)測效果，結(jié)果如圖7所示。

圖7 密度稀疏下3種監(jiān)測方法的監(jiān)測變形量測試結(jié)果

分析圖7可知，本文方法山地變形量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際山地變形量結(jié)果相接近，在0.15 m處上下波動(dòng)，文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法山地變形監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際山地變形結(jié)果之間存在較大差距。由于地勢復(fù)雜，所以3種方法在監(jiān)測期間監(jiān)測效果不如地勢平坦的區(qū)域，致使3種方法的監(jiān)測效果低于地勢平坦區(qū)域的監(jiān)測效果。整體來看，本文方法在進(jìn)行山地變形量監(jiān)測時(shí)的監(jiān)測效果要優(yōu)于文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法的監(jiān)測效果。

針對選定的山地區(qū)域，采集500個(gè)未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，以圖4中本文方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法下的反射式激光雷達(dá)地理掃描圖為基礎(chǔ)，對不同數(shù)據(jù)組的信噪比進(jìn)行分析，具體的分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 3種監(jiān)測方法的信噪比分析結(jié)果

分析圖8可知，本文方法下對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明本文方法下的反射式激光雷達(dá)掃描圖的圖像質(zhì)量較為優(yōu)良，存在噪聲較少。文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比之間存在較大差距，相比于本文方法信噪比較低，最大值分別為50 dB、40 dB。最小值分別為32 dB、12 dB，說明文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法下的反射式激光雷達(dá)掃描圖的圖像質(zhì)量較差，存在一定噪聲。整體來看，本文方法對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的質(zhì)量要優(yōu)于文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法的采集質(zhì)量。

在進(jìn)行山地地理測繪勘探時(shí)，由于受外部環(huán)境的影響，往往會(huì)出現(xiàn)一些無法探測到的區(qū)域，也就是空洞。由于空洞的存在，不但不能對地形進(jìn)行精確、完整的建模，而且對模型的后續(xù)處理也有一定的影響。因此，以本文采集對象的局部地形為例，采用本文方法、文獻(xiàn)[5]方法以及文獻(xiàn)[6]方法對不同數(shù)據(jù)組的空洞情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方法采集空洞對比圖

由圖9可知看出，采用文獻(xiàn)[5]方法與文獻(xiàn)[6]方法對山地地理進(jìn)行勘測時(shí)，其獲取的地形圖存在較多空洞，后期對整體地形進(jìn)行修復(fù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際地形圖誤差較大的問題。而采用本文方法時(shí)，其存在空洞較小，與原地形誤差較小，具有一定的優(yōu)勢。

基于上述測試結(jié)果可證明，本文方法進(jìn)行山地地理監(jiān)測時(shí)，該方法具備良好的監(jiān)測效果，證明該監(jiān)測方法的監(jiān)測性能高。

4 結(jié)束語

針對山地受到環(huán)境影響導(dǎo)致監(jiān)測效果差的問題，本文采用反射式激光雷達(dá)對山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測進(jìn)行優(yōu)化研究。該方法創(chuàng)新之處是優(yōu)化設(shè)計(jì)反射式激光雷達(dá)在山地地理測繪勘探中的應(yīng)用過程，并通過分區(qū)對山地地理掃描，采集該山地地理特征的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。通過提取相關(guān)山地地理特征建立山地地理二維坐標(biāo)系，生成山地?cái)?shù)字地理模型，完成山地地理測繪勘探區(qū)域的測量，最后通過測量結(jié)果實(shí)現(xiàn)對山地地理的變形監(jiān)測。通過研究得到如下結(jié)論：

1)本文方法得到的反射式激光雷達(dá)地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對于山地地理的勘測。

2)在進(jìn)行地理監(jiān)測前，本文方法對地理的特征進(jìn)行了提取，所以在測試過程中，地理變形量的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際地理變形結(jié)果相接近，進(jìn)行地理變形監(jiān)測時(shí)的監(jiān)測效果好。

3)本文方法在進(jìn)行山地變形量監(jiān)測時(shí)監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際山地變形量監(jiān)測結(jié)果相差較小，在0.15 m處上下波動(dòng)，監(jiān)測誤差可忽略不計(jì)，在山地坡度較大時(shí)，監(jiān)測效果較理想。

4)本文方法下對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明反射式激光雷達(dá)掃描圖的圖像質(zhì)量較為優(yōu)良，存在噪聲較少。

5)采用本文方法時(shí)存在空洞較小，具有一定的優(yōu)勢。

該方法由于在數(shù)據(jù)采集時(shí)還存在一定問題，今后會(huì)針對該項(xiàng)缺陷繼續(xù)完善該監(jiān)測方法。未來的研究內(nèi)容如下所示：

1)下一步可以采用LIDAR技術(shù)對山地地理環(huán)境進(jìn)行多角度的激光雷達(dá)回波掃描，能夠迅速獲得高密度、高精度的立體點(diǎn)云點(diǎn)坐標(biāo)，并在軟件的支持下建立了大量的立體模型，實(shí)現(xiàn)了對反射式激光雷達(dá)回波特征的優(yōu)化監(jiān)測。

2)未來研究工作可以采用反射式激光雷達(dá)技術(shù)，對山地地理環(huán)境進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)收集，并建立了一個(gè)立體的模型，更好地體現(xiàn)出其形態(tài)。讓整個(gè)回波特征優(yōu)化監(jiān)測的結(jié)構(gòu)更加清晰。

3)反射式激光雷達(dá)回波特征優(yōu)化監(jiān)測需要更加能夠迅速、有效地獲得山地地理精確信息，保證勘探工程的質(zhì)量，提高勘探工程的效率，在此方面未來可以深入研究。