地基干涉雷达地面灾害监测数据可视化方法

摘 要

针对目前对地基干涉雷达监测数据的可视化程度偏低，可视化效果涵盖信息不够丰富的现状，该文以地基干涉雷达系统的露天矿区边坡地面灾害监测为例，实现了多样化的可视化效果。该方法利用遥感影像和人工测量高程数据，丰富了可视化中的地表覆盖信息和地形起伏情况等重要信息，具有结果数据和过程数据的多样化可视化方式。结果表明，该方法改善了单一的地基干涉雷达系统监测数据的可视化效果，充分发挥了其形变预警分析功能。

引用格式

杜孙稳，张锦，邓增兵，等．地基干涉雷达地面灾害监测数据可视化方法［Ｊ］．测绘科学，2018，43（2）：125-129．

正文

可视化在信息世界中占有关键的地位，视觉是信息接收和传输的最主要渠道之一，尤其在地理信息可视化中具有独特的优点。地理信息的特殊性决定了地理信息可视化的多样性。对传统地图学来说，可视化将现实世界以二维或三维模型的形式再现。随着科学可视化以及计算机图形图像技术的飞速发展，地理信息数据可视化已发展成为集高度交互动态显示能力以及数据分析能力于一身的可视化平台[1]。目前地理信息可视化新技术研究热点主要集中在虚拟现实技术[2]、增强现实技术[3]、自适应地理信息可视化技术[4]以及地理信息全息显示技术[5]4种。

纵观整个科学领域，当前传感器技术和自动化数据采集的发展，使得数据的提供速度较转换为知识的速度更快、更容易，传统的、单一的可视化效果已经无法满足当前的监测需求和充分发掘显示多种监测数据的丰富信息[6]。在边坡位移监测数据的可视化发展进程中，传统的监测数据可视化效果是根据形变量绘制的形变曲线图[7]。

地基干涉雷达（ground-based interferometric radar）监测系统只能显示监测结果数据且可视化方式较为单一，主要包括单个监测点的形变量曲线、形变速率曲线以及形变加速度曲线；某一选定区域的平均形变量曲线、平均形变速率曲线以及平均形变加速度曲线；监测区域整体形变量以及形变速率图[8-12]。因此，针对当前的可视化表达现状，本文在地基雷达系统精确的形变监测数据信息的基础上，结合遥感影像和人工测量数据丰富了可视化中的地表覆盖信息和地形起伏情况等重要信息。通过数据源的选取分析、多源数据融合思路设计、数据预处理、数据处理等关键步骤，在ArcScene三维环境下实现三维可视化成果显示，并对该成果在结果数据可视化和过程数据可视化方面的应用进行了分析。

在地基雷达微小形变监测系统中，主要可视化方式有监测区域形变量图、单个监测点的形变曲线图以及选定区域平均形变曲线图3种。

地基雷达矿区地面灾害监测数据可视化表达研究中使用的多源数据主要有地基雷达点云形变数据、遥感影像数据以及人工测量高程数据等。地基雷达点云形变数据。为了能为矿区地面灾害监测数据可视化的实现提供大范围、高精度的近实时形变信息，于2015年1月1日上午8点23分利用IBIS-M型地基雷达微小形变监测系统采集了平朔安家岭露天矿区北邦边坡的点云形变数据，该期点云形变数据共包含被监测区域的25 863个点的形变信息。在此次数据采集过程中，地基雷达设备与被测边坡距离为1 828~2 633 m，距离向分辨率为0.5 m，角度向分辨率为4.5 mrad，采样间隔为10 min，测量精度为0.1 mm。遥感影像数据。为使矿区地面灾害监测数据可视化效果更加直观，具有更加丰富的地表形态和地表覆盖特征信息，收集了监测区域0.5 m分辨率的正射影像图，影像获取时间为2014年12月。人工测量高程数据。为了能更形象地表达测区的地形起伏情况，于2014年12月对测区进行了人工高程测量，并建立了最新的监测区域数字高程模型。

地基雷达矿山地面灾害监测多源数据融合三维可视化的实现主要包括3个重要步骤：DEM数据的生成，空间校正处理和DEM数据同地基雷达点云形变数据的融合。

1）DEM数据的生成。由于露天矿区开采造成的边坡数字高程模型的变化，需要对开采区域边坡每月进行坡顶坡底线人工高程测量，该测量成果可以提供矿区边坡的最新高程信息。本文利用最新的人工测量高程数据生成矿区边坡的DEM数据，为地基雷达矿山地面灾害监测多源数据融合三维可视化的实现提供数据基础。

2）空间校正处理。首先将DEM数据同监测区域遥感影像数据进行空间校正处理。空间校正处理方法选择仿射变换法，将DEM数据作为进行空间校正处理的基准要素，遥感影像则作为被校正要素。本文选取监测区域边坡的东侧部分作为试验数据，实现地基雷达矿山地面灾害监测多源数据融合三维可视化。

3）DEM数据同地基雷达点云形变数据的融合。将人工测量数据中的DEM数据同地基雷达点云形变监测数据进行融合，使地基雷达点云形变监测数据具有相应的高程信息；三维点云形变监测数据为矿区工作人员提供了监测区域的地形起伏信息，提高了地基雷达监测使用效率。

本文结合IBIS-M型地基雷达在平朔露天矿地面灾害监测中的应用实例，首先介绍了地基雷达监测点云形变数据、监测区域遥感影像以及监测区域人工测量数据3种数据源以及其涵盖的可视化信息。然后提出了结合实地遥感影像和人工测量高程数据，分别来增强地基雷达监测数据的地表覆盖信息和地表起伏信息的多源数据融合方法，实现了地基雷达的具备地表特征信息、高程信息以及地表微小形变监测信息的三维可视化效果，并对该成果在形变区域和稳定区域的划分以及根据形变量等级的区域划分方面进行了应用。实际应用数据分析表明，该方法能够有效提高地基雷达监测数据的精度和实用性，有效提高地基雷达的监测预警、区域划分以及形变统计分析功能。

2018年（第43卷）第2期

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