CN107504914B - 一种危险区域及时报警的变形监测方法 - Google Patents

一种危险区域及时报警的变形监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种危险区域及时报警的变形监测方法，涉及大坝、边坡、桥梁、铁路、公路、山坡等变形监测领域。本发明包括以下步骤：S1：设备安装；S2：标记角反射器；S3：获得地基SAR形变量信息和激光扫描仪DEM信息；S4：地基SAR形变量信息及DEM信息中角反射器的坐标提取；S5：统一地基SAR和三维激光扫描仪的坐标系统；S6：地基SAR形变量位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合。本发明的目的在于克服现有变形监测方法中较难及时做出危险区域灾害预报的不足，提供了一种危险区域及时报警的变形监测方法，其能够快速、准确的获取地基SAR位移图中形变量较大点对应的实际位置，及时做出危险区域的灾害预报。

Description

一种危险区域及时报警的变形监测方法
技术领域
本发明涉及大坝、边坡、桥梁、铁路、公路、山坡等变形监测领域，更具体地说，涉及一种危险区域及时报警的变形监测方法。
背景技术
近年来，大坝、滑坡、桥梁、铁路等变形监测变得越来越重要，当前比较普遍的变形监测手段是利用地基SAR对监测目标进行形变量获取。地基SAR技术通过天线在水平导轨上的往返运动来合成方位孔径，通过获取不同时间的目标区域图像，并利用DInSAR技术得到亚毫米级的形变位移精度，主要用于滑坡、冰川、大坝、桥梁、铁路等形变监测，分析其变形趋势并及时做出危险区域的灾害预报。GB-DInSAR(地基合成孔径雷达差分干涉)形变监测技术具有速度快、精度高、覆盖范围广、全天时、全天候、易操作等优点。虽然地基SAR技术可以获得亚毫米的测量精度，但是由于地基SAR获取的位移图是以自身坐标系为基准，其不能快速获取地基SAR位移图中形变量较大的点对应的实际位置。
现有技术中关于地基SAR技术已有相关专利公开，例如专利公开号：CN 102520406A，公开日：2012年06月27日，发明创造名称为：基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，该申请案公开了一种基于影像坐标映射的SAR立体模型构建与量测方法，其包括以下步骤：步骤1：由原始的SAR立体像对，根据DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)进行影像模拟消除上下视差，生成理想立体像对；步骤2：根据模拟成像模型和SAR构像模型，在影像模拟的基础上，通过保存高程查找表和构建影像坐标三角网(TIN)建立模拟影像和原始影像的坐标映射关系；步骤3：构建三维坐标量测模型，实现SAR数字立体量测。基于该申请案制作的SAR立体模型，立体观测效果良好，能够用于数字立体测图，进行地形、地物要素采集，精度能满足测图要求。但是，该申请案的量测方法不能快速获取地基SAR位移图中形变量较大的点对应的实际位置。
综上所述，如何快速、准确的获取SAR位移图中形变量较大点对应的实际位置，及时做出危险区域的灾害预报，是现有技术中亟需解决的技术问题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有变形监测方法中较难及时做出危险区域灾害预报的不足，提供了一种危险区域及时报警的变形监测方法，能够快速、准确的获取SAR位移图中形变量较大点对应的实际位置，及时做出危险区域的灾害预报。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的危险区域及时报警的变形监测方法，包括以下步骤：
S1：设备安装；
S2：标记角反射器；
S3：获得形变量信息和DEM信息；
S4：形变量信息及DEM信息中角反射器的坐标提取；
S5：统一地基SAR和三维激光扫描仪的坐标系统；
S6：SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合。
作为本发明更进一步的改进，S1中：选择监测区域，并在监测区域内部署地基SAR、三维激光扫描仪和角反射器，并在角反射器上安装GPS接收机。
作为本发明更进一步的改进，S2中：分别标记监测区域内每个角反射器，将每个角反射器的坐标记为i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数，角反射器也可作为扫描仪测量时的标靶。
作为本发明更进一步的改进，S3中：地基SAR和三维激光扫描仪同时对已选择的监测区域进行监测，分别获得监测区域的形变量信息和DEM信息；
其中，地基SAR采集监测区域的数据后，通过差分干涉合成孔径雷达技术得到监测区域的形变量信息；三维激光扫描仪获得监测区域的点云数据后，首先进行点云数据配准，然后通过数据处理得到DEM信息。
作为本发明更进一步的改进，S4中：在形变量信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为S(xs i,ys i)，i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数；
在DEM信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数。
作为本发明更进一步的改进，S5中：分别将坐标S(xs i,ys i)、与GPS接收机测量出的角反射器真实坐标进行一一对应，通过以上一一对应的关系，分别得到地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统与真实坐标系统之间的转换关系，进而分别通过上述转换关系将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统中。
作为本发明更进一步的改进，S6中：将已统一到真实大地坐标系统中的所述形变量信息投影到已统一到真实大地坐标系统中的所述DEM信息中，得到地基SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合效果图。
作为本发明更进一步的改进，S5中，在x方向上和y方向上分别设定一个范围阈值，在三维激光扫描仪监测区域的点云数据中寻找与地基SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)最接近的点，此时该最接近的点在所述点云数据中的z坐标即为SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)对应的z坐标。
作为本发明更进一步的改进，所述真实坐标系统包括但不限于大地坐标系或UTM坐标系中的一种。
作为本发明更进一步的改进，S1中，角反射器等间距布设；控制地基SAR和三维激光扫描仪的监测区域保持一致。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明将地基SAR获取的形变量投影到通过三维激光扫描仪获取的DEM图上，能够快速、准确的获取SAR位移图中形变量较大点对应的实际位置，及时做出危险区域的灾害预报，突破了地基SAR本身二维平面的限制，使得形变监测结果更具有实际应用价值。
(2)本发明中，用地基SAR获取监测区域内亚毫米级精度的形变量信息，三维激光扫描仪获得监测区DEM信息，然后将地基SAR获取的形变量数据与三维激光扫描仪获得的DEM数据进行融合，属于数据融合领域，数据融合的过程是将两种类型的坐标都转换成真实坐标，统一为真实坐标系后进行融合，坐标转换过程中使用了角反射器的坐标以及转换函数，目的是将SAR位移图投影到DEM图上，实现两者数据的融合，使监测区域的形变信息更加直观的显示在被监测区域的DEM地形图上，从而更加容易辨别地基SAR数据中形变量较大点对应的真实位置，进而快速、准确地做出危害区域报告。
(3)本发明中，坐标转换过程中，坐标S(xs i,ys i)是二维坐标，坐标是三维坐标，在将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统后，需要解决地基SAR的z坐标如何获取的问题，本发明中主要通过以下方法解决：在x方向上和y方向上分别设定一个范围阈值，在三维激光扫描仪监测区域的点云数据中寻找与地基SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)最接近的点，此时该最接近的点在所述点云数据中的z坐标即为SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)对应的z坐标，这样就获得了地基SAR数据对应的三维坐标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1的危险区域及时报警的变形监测方法的流程图；
图2为实施例1中地基SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的危险区域及时报警的变形监测方法，包括以下步骤：
S1：设备安装；
S1中：选择合适的监测区域，并在监测区域内部署地基SAR、三维激光扫描仪和角反射器，并在角反射器上安装GPS接收机。其中，监视区域内的角反射器需等间距布设；并且地基SAR和三维激光扫描仪的布设点需经过实地考察，选择合适位置部署，使两种设备的视线能够很好的覆盖监测区域，并保持监测区域一致。另外，要求被监测区域具有一定的典型地形(如大坝监测、滑坡监测等)，便于形变量信息及DEM信息提取。使用GPS接收机测量各个角反射器的位置时，应保证每个角反射器被测量的位置相同(如都测量角反射器结构中心点位置作为角反射器的位置)。
S2：标记角反射器；
S2中：分别标记监测区域内每个角反射器，将每个角反射器的坐标记为i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数，角反射器也可作为扫描仪测量时的标靶。
S3：获得形变量信息和DEM信息；
S3中：地基SAR和三维激光扫描仪同时对已选择的监测区域进行监测，分别获得监测区域的形变量信息和DEM信息；
其中，地基SAR采集监测区域的数据后，通过差分干涉合成孔径雷达(DInSAR)技术得到监测区域的高精度形变量信息；三维激光扫描仪获得监测区域的点云数据后，首先进行点云数据配准，然后通过数据处理得到DEM信息。其中，三维激光扫描仪可以通过控制点进行点云数据配准，在监视区域内布设的角反射器就可以作为控制点来对点云数据进行校正。
S4：形变量信息及DEM信息中角反射器的坐标提取；
S4中：在形变量信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为S(xs i,ys i)，i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数；
在DEM信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数。
S5：统一地基SAR和三维激光扫描仪的坐标系统；
S5中：分别将坐标S(xs i,ys i)、与GPS接收机测量出的角反射器真实坐标进行一一对应，通过以上一一对应的关系，采用相应的坐标转换函数，本实施例中转换函数采用多项式拟合，分别得到地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统与真实坐标系统之间的转换关系，进而分别通过上述转换关系将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统中。
坐标转换过程中，坐标S(xs i,ys i)是二维坐标，坐标是三维坐标，在将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统后，需要解决地基SAR的z坐标如何获取的问题，本实施例中主要通过以下方法解决：在x方向上和y方向上分别设定一个范围阈值，在三维激光扫描仪监测区域的点云数据中寻找与地基SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)最接近的点，此时该最接近的点在所述点云数据中的z坐标即为SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)对应的z坐标，这样就获得了地基SAR数据对应的三维坐标，具体解释如下：
坐标转换过程中，坐标S(xs i,ys i)是二维坐标，坐标是三维坐标，在将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统后，需要解决地基SAR的z坐标如何获取的问题，本实施例中主要通过以下方法解决：
1)待转换坐标点记为(xj,yj)，j为地基SAR测量点的总数；
在x方向上和y方向上分别设定一个范围阈值(该阈值的选取与DEM点云间距有关)，在三维激光扫描仪监测区域的点云数据中寻找与地基SAR采集监测区域数据的二维坐标(xj,yj)最接近的点，由于二维坐标向三维坐标转换过程，可能存在一个(xj,yj)坐标对应多个z值的情况，记为(xj，yj，z1)、(xj，yj，z2)、(xj，yj，z3)…。这样就需要再添加限制条件，在多个三维坐标中选出准确的与地基SAR相对点的三维坐标。
2)利用待转换坐标点(xj,yj)与地基SAR的距离是一个定值的条件，准确找出(xj,yj)对应的z值。具体如下：
测距是雷达的基本功能，雷达测距的原理是利用目标反射回波与发射回波的时间延迟计算；雷达回波二维数据包括距离维信息和方位维信息，(xj,yj)与地基SAR的距离可以通过雷达回波二维数据中的距离维信息结合雷达距离分辨率获得，记为rj＝Bj*Δr，其中，Bj为(xj,yj)点对应的地基SAR回波距离门，Δr为地基SAR对应的距离分辨率；利用GPS测得地基SAR仪器中心坐标为(xs 0，ys 0,zs 0)，分别计算出(xs 0，ys 0,zs 0)与(xj,yj,z1)、(xj,yj,z2)、(xj,yj,z3)…的距离为r1、r2、r3…，然后分别比较rj与r1、r2、r3…的距离，最终选出与rj最接近的距离值对应的三维坐标，假设选出的三维坐标为(xj,yj,z3)，那么z3就是待转换坐标点(xj,yj)对应的z值，这样就获得了地基SAR数据对应的三维坐标。
S6：SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合；
S6中：将已统一到真实大地坐标系统中的所述形变量信息投影到已统一到真实大地坐标系统中的所述DEM信息中，得到地基SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合效果图，即监测区域内形变量信息投影到DEM信息上的结果图，具体结果图可参看图2。本实施例中的真实坐标系统可以为大地坐标系或者UTM坐标系，可以根据实际需要选择需要的坐标系。
三维激光扫描技术是从20世纪90年代中期开始发展起来的一项新兴测绘技术，该技术可以快速地以毫米级采样间隔获取实体表面点的三维坐标信息，建立目标的三维模型，并提取DEM、线、面、体等数据。该技术的优点是精度高、测量速度快、应用范围广，克服了传统方法特征点数据采集的缺陷，采用全特征数据采集方式，弥补了传统方法的不足。目前三维激光扫描技术已广泛应用于地形测量及滑坡、建筑物等的变形监测。
本发明将地基SAR获取的形变量投影到通过三维激光扫描仪获取的DEM图上，能够快速、准确的获取SAR位移图中形变量较大点对应的实际位置，及时做出危险区域的灾害预报，突破了地基SAR本身二维平面的限制，使得形变监测结果更具有实际应用价值。
本发明中，用地基SAR获取监测区域内亚毫米级精度的形变量信息，三维激光扫描仪获得监测区DEM信息，然后将地基SAR获取的形变量数据与三维激光扫描仪获得的DEM数据进行融合，属于数据融合领域，数据融合的过程是将两种类型的坐标都转换成真实坐标，统一为真实坐标系后进行融合，坐标转换过程中使用了角反射器的坐标以及转换函数，目的是将SAR位移图投影到DEM图上，实现两者数据的融合，使监测区域的形变信息更加直观的显示在被监测区域的DEM地形图上，从而更加容易辨别地基SAR数据中形变量较大点对应的真实位置，进而快速、准确地做出危害区域报告。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设备安装；
S2：标记角反射器；
S3：获得形变量信息和DEM信息；
S4：形变量信息及DEM信息中角反射器的坐标提取；
S4中：在形变量信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为S(xs i,ys i)，i＝1,2,3,...,N,N为监测区域内布设的角反射器个数；
在DEM信息中，提取出监测区域内每个角反射器在对应坐标系下的坐标，记为为监测区域内布设的角反射器个数；
S5：统一地基SAR和三维激光扫描仪的坐标系统；
S5中：分别将坐标S(xs i,ys i)、与GPS接收机测量出的角反射器真实坐标进行一一对应，通过以上一一对应的关系，分别得到地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统与真实坐标系统之间的转换关系，进而分别通过上述转换关系将地基SAR、三维激光扫描仪的自身坐标系统统一到真实坐标系统中；
S5中：在x方向上和y方向上分别设定一个范围阈值，在三维激光扫描仪监测区域的点云数据中寻找与地基SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)最接近的点，此时该最接近的点在所述点云数据中的z坐标即为SAR采集监测区域数据的二维坐标(x,y)对应的z坐标；具体采用以下方法：待转换坐标点记为(xj,yj)，j为地基SAR测量点的总数；利用待转换坐标点(xj,yj)与地基SAR的距离是一个定值的条件，准确找出(xj,yj)对应的z值，具体如下：雷达回波二维数据包括距离维信息和方位维信息，(xj,yj)与地基SAR的距离通过雷达回波二维数据中的距离维信息结合雷达距离分辨率获得，记为rj＝Bj*Δr，其中，Bj为(xj,yj)点对应的地基SAR回波距离门，Δr为地基SAR对应的距离分辨率；利用GPS测得地基SAR仪器中心坐标为(xs 0,ys 0,zs 0)，分别计算出(xs 0,ys 0,zs 0)与(xj,yj,z1)、(xj,yj,z2)、(xj,yj,z3)…的距离为r1、r2、r3…，然后分别比较rj与r1、r2、r3…的距离，最终选出与rj最接近的距离值对应的三维坐标，该选出的三维坐标的Z值就是待转换坐标点(xj,yj)对应的z值，这样就获得了地基SAR数据对应的三维坐标；
S6：SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合。
2.根据权利要求1所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于，S1中：选择监测区域，并在监测区域内部署地基SAR、三维激光扫描仪和角反射器，并在角反射器上安装GPS接收机。
3.根据权利要求1或2所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于，S2中：分别标记监测区域内每个角反射器，将每个角反射器的坐标记为为监测区域内布设的角反射器个数。
4.根据权利要求2所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于，S3中：地基SAR和三维激光扫描仪同时对已选择的监测区域进行监测，分别获得监测区域的形变量信息和DEM信息；
其中，地基SAR采集监测区域的数据后，通过差分干涉合成孔径雷达技术得到监测区域的形变量信息；三维激光扫描仪获得监测区域的点云数据后，首先进行点云数据配准，然后通过数据处理得到DEM信息。
5.根据权利要求4所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于，S6中：将已统一到真实大地坐标系统中的所述形变量信息投影到已统一到真实大地坐标系统中的所述DEM信息中，得到地基SAR位移图与三维激光扫描仪DEM图的融合效果图。
6.根据权利要求5所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于：所述真实坐标系统包括但不限于大地坐标系或UTM坐标系中的一种。
7.根据权利要求1所述的危险区域及时报警的变形监测方法，其特征在于：S1中，角反射器等间距布设；控制地基SAR和三维激光扫描仪的监测区域保持一致。
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