CN105651267A - 一种基于三维激光扫描仪和gis的雷达阵地堪选方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，采用三维激光扫描仪和便携式举升平台，配套使用RTK、标靶等辅助设备，能够快速、精确的获取阵地三维点云数据，经数据处理后生成高精度DEM数据。在此基础上，使用GIS系统三维空间分析功能的天际线工具生成天际线，然后根据天际线和导入的地形数据提取天际线各点的高度，生成遮蔽角数据，根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达的遮蔽角图和雷达平面探测范围图。使用GIS系统的视线分析工具，生成观察点上某方向上的可视线，根据可视线和导入的地形数据提取可视线各点的高度生成断面图，进行雷达反射区的起伏度分析，得出量化的起伏度数据，并在此基础上优选出适合的雷达阵地架设位置。

Description

一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法

技术领域

本发明属于电子测量领域，涉及一种雷达阵地的勘测选取方法。

背景技术

雷达的探测威力不仅取决于雷达本身的性能参数，同时也取决于雷达阵地的地理环境，地物遮蔽、地表反射等因素会导致雷达的实际波瓣与理想波瓣差别较大，其中，地物遮蔽会影响雷达的水平探测范围，地面反射导致的垂直波瓣分裂会使雷达的探测范围增大或减小，影响雷达的低空测高精度。

随着技术的发展，新一代雷达对阵地地形的条件提出了更高的要求，需要更小的遮蔽角和更大、更平坦的阵地反射面，因此对雷达阵地的地形勘测及实际波瓣分析能力提出了更高的要求。

目前，用于雷达阵地地形测量的手段主要为全站仪+GPS的方式，遮蔽角测量中主要使用全站仪：在待测地形中，人工判断出雷达架设位置并架设全站仪，水平360度每间隔一度进行人工观测，通过调整全站仪目镜的倾斜角度，瞄准障碍物的最高点，并记录目镜倾角，得出遮蔽角。通过测量记录绘制纸质的雷达阵地遮蔽角图，再生成雷达平面探测范围图，分析主要观测方向的效能是否符合阵地接收条件的要求。断面测量中主要使用GPS：在待测地形中，架设GPS主站，通过罗盘选定雷达的主要观测方向(一般为一个扇区，范围比较大)，理论上在每度方向上需要操作员手持GPS移动站间隔一定距离(理想状态测定到分米级，实际应用中，由于工作量大，目前测到5米到10米间隔的采样精度)进行测量，由于作业工作量大，一般通过人工判断，选定1至2个典型地形角度进行跑杆测量，其他角度忽略。通过测量记录绘制纸质的雷达阵地断面图，再分析雷达发射区的起伏程度是否符合阵地接收条件。

上述测量方法的不足之处在于测量速度慢、数据率低，完成一个阵地遮蔽和主要作战方向断面测量就需要1天时间，完成一个阵地地形的精细测量大约需要3人*1个月的时间；同时，测量得到的数据点稀疏，测量出的地形地貌不够精确，无法满足实际应用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于三维激光扫描仪测量和GIS(地理信息系统)空间分析的，测量速度快、数据率高、精度高的雷达阵地堪选方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，包括如下步骤：

(1)根据任务设定的雷达观测方向和目标的距离，结合雷达的参数，划定雷达可架设的区域范围并划分为区块，然后根据阵地的接收条件要求，逐个区块的进行遮蔽角分析和起伏度分析，初步选择出符合任务设定要求的雷达架设区块；

遮蔽角θ的计算方法为，θ＝tan^-1[(d₁-h)/d]，其中d₁为遮蔽物高度，h为雷达中心高度，d为雷达架设站点和遮蔽物的水平距离。

起伏度Δh的计算方法为，Δh＝λd_s/32h，其中λ为雷达的工作波长，h为雷达中心高度，d_s为雷达架设站点和起伏地物的水平距离。

(2)从步骤(1)选定的雷达架设区块中，按照阵地修建工程的难易程度进行排序，选取出适合作为雷达假设阵地的m个预选阵地，m为正整数；m的取值通常为2、3或者4。

(3)针对步骤(2)确定的m个预选阵地，逐个分别执行以下相同的实地勘测流程，获取m个阵地各自的全局DEM数据：

(31)在预选阵地中部、无遮挡的地域架设RTK主站；

(32)在预测试的雷达架设点架设举升平台，安装三维激光扫描仪，同时将RTK移动站1与三维激光扫描仪同轴固定，并将举升平台升高至三维激光扫描仪不被遮挡、不影响测量范围的高度；在三维激光扫描仪的测量范围内架设标靶，同时将RTK移动站2与标靶同轴固定；

(33)采用RTK移动站1和RTK主站通信，测量出三维激光扫描仪测量坐标系的原点在大地坐标系的坐标值并记录，采用RTK移动站2和RTK主站通信，测量出标靶圆心的大地坐标值并记录；

(34)遥控三维激光扫描仪开始扫描，完成以三维激光扫描仪为圆心、扫描距离为半径、水平360度、垂直160度的扫描测量并存储测量信息；

(35)改变RTK移动站1和RTK移动站2的位置，重复步骤(32)～(34)，共获取K站的扫描数据，K站扫描数据的组合需覆盖整个预选阵地，K为正整数；

(36)对于K站中每一站的扫描数据，根据RTK移动站1和RTK移动站2测量值，获取该站测量位置处的三维激光扫描仪测量坐标系与大地坐标系的坐标转换关系，并将三维激光扫描仪的测量数据由三维激光扫描仪测量坐标系转换至大地坐标系；然后在大地坐标系下，将转换后的K站三维激光扫描仪的测量数据进行拼接，得到全局点云数据；

(37)根据步骤(36)得到的全局点云数据生成全局DEM数据；

(4)针对步骤(3)确定的m个全局DEM数据，逐个分别执行以下相同的数据分析流程，获取m个阵地的堪选结果：

(41)将全局DEM数据导入GIS系统，使用GIS系统生成天际线，然后根据天际线和导入的全局DEM数据提取天际线各点的高度，进行几何运算生成遮蔽角数据，并根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达阵地遮蔽角图和雷达平面探测范围图；使用GIS系统生成观察点上某方向上的可视线，根据可视线和导入的全局DEM数据提取可视线各点的高度，生成断面图；

(42)确定雷达反射区的范围，计算得到雷达反射区的起伏度量化数据；雷达反射区的范围通过近端界限和远端界限限定，其中远端界限d_f≥23.3h²/λ，近端界限d_n≤0.7h²/λ，其中λ为雷达的工作波长，h为雷达中心高度。

(43)根据雷达类型确定遮蔽角要求，在雷达阵地遮蔽角图上判断雷达观测方向的遮蔽角是否满足要求；同时根据起伏度量化数据，判定雷达反射区范围内的起伏度是否满足要求；起伏度满足的要求为Δh≤λd_s/32h，式中d_s的取值在d_f和d_n之间。

(44)将遮蔽角和起伏度同时满足要求的预选阵地作为可用雷达架设阵地输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现阶段的阵地初选方法是在大比例尺军用地图上，凭借专家经验人工选择可架设区域。此方式存在的不足是主观性较强，不能够量化分析，可重复性较差。本发明通过GIS系统空间分析方法，根据雷达选址规范的要求，可以快速实现阵地架设区域的预选，在提高了工作效能的同时，实现了阵地预选的自动化、标准化，降低了对人员专业技能的依赖性；

(2)本发明方法采用三维激光扫描仪和便携式举升平台，配套使用RTK、标靶等辅助设备，能够快速、精确的获取阵地三维点云数据，经数据处理后可以生成高精度三维高程地形模型，解决了现场测量中多站数据融合的难题，可以满足阵地测量大区域地形数据采集和数据预处理需要。采用这种方式，数据密度高，阵地遮蔽角的角分辨率可达到0.005度，是传统方法的200倍；断面监测中点的间隔可达到厘米级，以1000米半径，60度主要观测方向为例，30分钟测得的数据量为1660000个数据点，而传统方法一天内测得的信息点是200个，是传统方法的数千倍；测量效率高，一天内可以完成阵地数据外业采集，是传统方法的30倍，可以大大降低劳动强度，节约人员成本，使阵地堪选工作有效开展；

(3)本发明方法使用三维GIS系统的三维空间分析功能的天际线工具生成天际线，根据天际线和导入的地形数据提取天际线各点的高度，进行几何运算，生成遮蔽角数据，再根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达地遮蔽角图和雷达平面探测范围图。使用三维GIS系统的视线分析工具，生成观察点上某方向上的可视线，再根据可视线和导入的地形数据提取可视线各点的高度，生成断面图，进行雷达反射区的起伏度分析，得出量化的起伏度数据。这种数据分析方式，一方面提高了阵地勘测的速度和自动化程度，使自动化分析的品质大大提高；另一方面通过精细化的分析为雷达后续参数调优提供了数据支撑；

(4)本发明方法采用举升平台模拟雷达天线中心高度，降低了扫描仪扫描有效区内近端与远端的点云密度差值，可以获得高质量的全局点云密度，还可以避免地表植被和杂物的遮挡，增加单站的测量距离，减少测量站的数量；

(5)本发明方法将RTK移动站1与扫描仪采用结构件同轴固定，将RTK移动站2与标靶采用结构件同轴固定，通过测量计算，求出扫描仪的X、Y、Z三轴交点在大地坐标系的坐标值，求出标靶圆心的大地坐标值，避免了在测量现场用皮尺，铅垂等二次测量、重复架设的工作，减少了人为读测量值而造成的误差，实现了快速高精度的架设测量设备。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明采用三维激光扫描仪进行阵地测量的位置关系示意图；

图3为本发明雷达阵地遮蔽角示意图。

具体实施方式

本发明采用三维激光扫描仪进行阵地地形的数据采集。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。本发明中采用的三维激光扫描仪扫描半径1000米以上(20％的反射率)，对于一个四平方公里的待测量地形大约需要扫描4到8站即可以完成整个地形的数据扫描采集工作，单站架设扫描时间按0.5小时完成，每站之间的移站时间0.3小时完成，测量整个地形6.4小时内完成。地形数据采集的效率是传统手段的30倍，且数据精度更高，达到5cm。

本发明采用三维激光扫描仪和便携式举升平台，配套使用RTK(Real-timekinematic实时动态控制系统)、标靶等辅助设备，能够快速、精确的获取阵地三维点云数据，经数据处理后生成高精度三维高程地形模型。在此基础上，使用三维GIS系统的三维空间分析功能的天际线工具生成天际线，然后根据天际线和导入的地形数据提取天际线各点的高度，进行几何运算，生成遮蔽角数据，根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达地遮蔽角图和雷达平面探测范围图。使用三维GIS系统的视线分析工具，生成观察点上某方向上的可视线，根据可视线和导入的地形数据提取可视线各点的高度，生成断面图，进行雷达反射区的起伏度分析，得出量化的起伏度数据。通过上述的数据分析，在预选阵地间进行效能对比分析，优选出最佳的雷达阵地架设位置。

如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：

1、初选阵地架设区域

首先，通过GIS系统使用公开的SRTM(V2)数据(美国太空总署NASA和国防部国家测绘局NIMA以及德国与意大利航天机构共同协作完成)，进行阵地架设区域初选。根据任务设定的主要观测方向和目标距离，结合雷达的基本效能参数(包括探测距离、盲区、架设高度、发射功率、工作频率等)，划定雷达可架设的区域范围，根据行政区划分，进一步划分区块。根据已知雷达参数，计算得出阵地的接收条件要求，逐个区块进行遮蔽分析和起伏度分析，初步选择出符合雷达架设要求的区域。

计算阵地周围的遮蔽角θ，即θ＝tan^-1[(d₁-h)/d]，

式中，d₁为遮蔽物高度，h为雷达中心高度，d为雷达架设站点和遮蔽物的水平距离。

计算反射面允许起伏度Δh，即Δh＝λd_s/32h

式中，λ为雷达工作波长，d_s为雷达架设站点和起伏地物的水平距离。

2、确定m个预选阵地

从上述步骤1选定的区块中，按照阵地选址规范要求，根据对选址区块内的地物、地貌、植被、水源、电源、通讯线路、道路、桥梁、等高线等，判断阵地修建工程的可用性和难易程度，进行排序，选取出适合作为阵地的m个预选阵地，m为正整数，通常取2到4即可。

3、针对步骤2确定的m个预选阵地，逐个分别执行以下相同的实地勘测流程，获取m个阵地的实测高精度地形数据。

(31)在预选阵地中部、无遮挡的地域架设RTK主站。RTK主站的架设点选择原则是根据其工作范围来确定，其架设点与RTK移动站的距离不能超出其工作范围，RTK主站架设应避免周围有遮挡信号接收和发射的障碍物，尽量选择高点为架设点。

(32)在预测雷达架设点架设举升平台，安装三维激光扫描仪，同时将RTK移动站1与三维激光扫描仪采用结构件同轴固定，通过结构件精度保证RTK移动站1与三维激光扫描仪的相对位置固定，通过手摇等方式将举升平台升高至三维激光扫描仪不被遮挡、不影响测量范围的高度。在三维激光扫描仪的测量范围内架设标靶，同时将RTK移动站2与标靶采用同轴结构件固定，通过结构件精度保证RTK移动站2与标靶圆心相对位置固定，具体架设关系如图2所示。

RTK移动站1用于测出该扫描位置上的扫描仪的X、Y、Z三轴交点在大地坐标系的坐标值，RTK移动站2用于测出标靶圆心的大地坐标值，这样两点定向，可以求得扫描仪坐标系与大地坐标系夹角，RTK移动站1与RTK移动站2之间的距离为定向精度的基线，距离越大，精度越高。

(33)采用RTK移动站1和RTK主站通信，测量出三维激光扫描仪的X、Y、Z三轴交点在大地坐标系的坐标值并记录。采用RTK移动站2和RTK主站通信，测量出标靶圆心的大地坐标值并记录。

(34)遥控三维激光扫描仪(设定扫描精度)开始扫描，完成以三维激光扫描仪为圆心、扫描距离为半径、水平360度、垂直160度的扫描测量。高精度和高分辨率的测量出扫描区域(预选阵地)内所有反射物体的空间坐标、颜色、反射率等数据信息，三维激光扫描仪存储测量信息，至此完成一个预选阵地测量中的单站扫描。

(35)改变RTK移动站1和RTK移动站2的位置，重复步骤(32)～(34)，获取K站的扫描数据，直至K站数据的组合覆盖整个预选阵地。K为正整数，对于一个四平方公里的预选阵地地形，K取值约为4到8，可完成扫描测量。

(36)将一个预选阵地的多站扫描的数据导入点云预处理软件(如RiSCANPRO)，对应每站的数据，根据三维激光扫描仪测量的点云数据，计算出每站标靶圆心到三维激光扫描仪的X、Y、Z三轴交点的连线与三维激光扫描仪坐标系的三个坐标轴夹角(α_x,α_y,α_z)，根据RTK移动站1和RTK移动站2测量值，计算出每站标靶圆心到三维激光扫描仪的X、Y、Z三轴交点的连线与大地坐标系的三个坐标轴夹角(β_x,β_y,β_z)，两个夹角的和作为三维激光扫描仪坐标系和大地坐标系的夹角(α_x+β_x,α_y+β_y,α_z+β_z)。

单站点云数据通过移动、旋转完成坐标系转换，得到大地坐标系下的点云。

数据重合点进行求均值处理，多站点云实现拼接，最终得到全局点云数据。

(37)利用处理软件将全局点云数据生成全局DEM数据。例如使用ArcGIS的三维空间分析工具。

4、针对步骤3确定的m个全局DEM数据，逐个分别执行以下相同的数据分析流程，获取m个阵地的分析结果。

(41)将生成的全局DEM数据导入GIS软件(如ArcGIS、SUPERMAP)，根据阵地需求(包括雷达类型、主要作战方向、雷达架高、雷达波长等、基础雷达威力范围、作战任务、雷达的盲区和作用区)，使用三维GIS系统的三维空间分析功能的天际线工具生成天际线，然后根据天际线和导入的地形数据提取天际线各点的高度，进行几何运算，生成遮蔽角数据，根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达阵地遮蔽角图(如图3所示)和雷达平面探测范围图。使用三维GIS系统的视线分析工具，生成观察点上某方向上的可视线，根据可视线和导入的地形数据提取可视线各点的高度，生成断面图。

确定雷达反射区的范围(近端、远端)，进行雷达反射区的起伏度分析，得出量化的起伏度数据。

其中反射区内的近端、远端界限值分别满足以下条件

远端：d_f≥23.3h2/λ

近端：d_n≤0.7h²/λ

计算得出反射面允许起伏度Δh应该满足如下条件

Δh≤λd_s/32h

式中d_s的取值在d_f和d_n之间。

(42)根据雷达类型，确定遮蔽角要求，在遮蔽角图上判断雷达主要观测方向遮蔽角是否满足要求。将遮蔽角和起伏度同时满足要求的阵地作为可用架设阵地输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据任务设定的雷达观测方向和目标的距离，结合雷达的参数，划定雷达可架设的区域范围并划分为区块，然后根据阵地的接收条件要求，逐个区块的进行遮蔽角分析和起伏度分析，初步选择出符合任务设定要求的雷达架设区块；

(2)从步骤(1)选定的雷达架设区块中，按照阵地修建工程的难易程度进行排序，选取出适合作为雷达假设阵地的m个预选阵地，m为正整数；

(3)针对步骤(2)确定的m个预选阵地，逐个分别执行以下相同的实地勘测流程，获取m个阵地各自的全局DEM数据：

(31)在预选阵地中部、无遮挡的地域架设RTK主站；

(32)在预测试的雷达架设点架设举升平台，安装三维激光扫描仪，同时将RTK移动站1与三维激光扫描仪同轴固定，并将举升平台升高至三维激光扫描仪不被遮挡、不影响测量范围的高度；在三维激光扫描仪的测量范围内架设标靶，同时将RTK移动站2与标靶同轴固定；

(33)采用RTK移动站1和RTK主站通信，测量出三维激光扫描仪测量坐标系的原点在大地坐标系的坐标值并记录，采用RTK移动站2和RTK主站通信，测量出标靶圆心的大地坐标值并记录；

(34)遥控三维激光扫描仪开始扫描，完成以三维激光扫描仪为圆心、扫描距离为半径、水平360度、垂直160度的扫描测量并存储测量信息；

(35)改变RTK移动站1和RTK移动站2的位置，重复步骤(32)～(34)，共获取K站的扫描数据，K站扫描数据的组合需覆盖整个预选阵地，K为正整数；

(36)对于K站中每一站的扫描数据，根据RTK移动站1和RTK移动站2测量值，获取该站测量位置处的三维激光扫描仪测量坐标系与大地坐标系的坐标转换关系，并将三维激光扫描仪的测量数据由三维激光扫描仪测量坐标系转换至大地坐标系；然后在大地坐标系下，将转换后的K站三维激光扫描仪的测量数据进行拼接，得到全局点云数据；

(37)根据步骤(36)得到的全局点云数据生成全局DEM数据；

(4)针对步骤(3)确定的m个全局DEM数据，逐个分别执行以下相同的数据分析流程，获取m个阵地的堪选结果：

(41)将全局DEM数据导入GIS系统，使用GIS系统生成天际线，然后根据天际线和导入的全局DEM数据提取天际线各点的高度，进行几何运算生成遮蔽角数据，并根据遮蔽角数据和雷达参数生成雷达阵地遮蔽角图和雷达平面探测范围图；使用GIS系统生成观察点上某方向上的可视线，根据可视线和导入的全局DEM数据提取可视线各点的高度，生成断面图；

(42)确定雷达反射区的范围，计算得到雷达反射区的起伏度量化数据；

(43)根据雷达类型确定遮蔽角要求，在雷达阵地遮蔽角图上判断雷达观测方向的遮蔽角是否满足要求；同时根据起伏度量化数据，判定雷达反射区范围内的起伏度是否满足要求；

(44)将遮蔽角和起伏度同时满足要求的预选阵地作为可用雷达架设阵地输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于：所述遮蔽角θ的计算方法为，θ＝tan^-1[(d₁-h)/d]，其中d₁为遮蔽物高度，h为雷达中心高度，d为雷达架设站点和遮蔽物的水平距离。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于：所述起伏度Δh的计算方法为，Δh＝λd_s/32h，其中λ为雷达的工作波长，h为雷达中心高度，d_s为雷达架设站点和起伏地物的水平距离。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于：所述m的取值为2、3或者4。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于：所述的雷达反射区的范围通过近端界限和远端界限限定，其中远端界限d_f≥23.3h²/λ，近端界限d_n≤0.7h²/λ，其中λ为雷达的工作波长，h为雷达中心高度。

6.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描仪和GIS的雷达阵地堪选方法，其特征在于：所述步骤(44)中起伏度满足的要求为Δh≤λd_s/32h，式中d_s的取值在d_f和d_n之间。