CN114814961B - 一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法。包括以下步骤：获取探测区域的高精度数字高程模型；获取探测区域地下三维成像数据，并提取轨迹平面坐标；将高精度数字高程模型和轨迹平面坐标叠加得到轨迹三维数据；根据轨迹三维数据对地下三维成像数据进行校正。采用本发明的方法作业效率高，人工投入小，成果精度高，实用性强；无需提前设置探测轨迹来地形校正，使探地雷达探测更加灵活方便；并能使探地雷达能在复杂地形环境下使用，提高了探地雷达实用性。

Description

一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法

技术领域

本发明属于测绘和地下探测技术领域，尤其涉及一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法。

背景技术

探地雷达(Ground Penetrating Radar)是一种非破坏性测量技术，它利用电磁波定位埋藏在视觉上不透明的物质或地下介质内的目标或界面。探地雷达向物质或地面发射一连串有规律的低功率电磁能量序列，并接收和探测埋藏目标的微弱反射信号。埋藏的目标可以是导体、电介质或两者的组合。探地雷达利用传播的电磁波，对浅层地下电磁特性的变化做出反应。电磁波的传播速度是产生反射的主要控制因素，它由背景材料和目标之间的相对介电常数对比(或层间对比)决定。一个典型的探地雷达装置由发射天线和接收天线组成，发射天线产生的电磁波传入地下，然后从界面上反射或从点源上散射。这些反射/散射的能量然后传回地表，在那里它被接收天线记录下来。现在已经有很多商业化的设备，该技术的范围和能力也在逐步发展。探地雷达还被成功地用于在刑事调查过程中提供法医信息、探测埋藏的地雷、勘测道路、探测公用设施、测量地球物理地层以及其他领域。

然而在实际探测中探地雷达也具有技术缺陷，探地雷达在数据采集时易受数据采集区域条件(地形、土壤性质、电磁场干扰等)、系统配置和测量方式等因素影响，使雷达图像上干扰波较多，这也在不同程度上增加了雷达图像上目标信息识别和解译的难度。引入三维激光移动扫描系统，获取地面三维激光点云，可充分利用其中丰富的空间结构、形态特征和光谱特征等空间信息，从整体上提高断层探地雷达信号的定位精度和定量识别准确性。

发明内容

本发明目的在于克服现有探地雷达技术中存在的不足而提供一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法。使用三维激光移动扫描系统获得探测区域的高精度数字高程模型，然后根据地面高精度数字高程模型对探地雷达地下三维成像数据进行校正，实现探地雷达数据的高精定位，进而提高探地雷达图像解译的准确性。

本发明的目的是这样实现的：

一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取探测区域的高精度数字高程模型；

获取探测区域地下三维成像数据，并提取轨迹平面坐标；

将高精度数字高程模型和轨迹平面坐标叠加得到轨迹三维数据；

根据轨迹三维数据对地下三维成像数据进行校正。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，采用三维激光移动扫描系统获取探测区域的高精度数字高程模型，具体包括：

获取探测区域的初始点云数据；

将初始点云数据滤波得到最终的地面点；

根据最终的地面点内插构建三角网，生成探测区域的高精度数字高程模型。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，获取探测区域的初始点云数据具体包括

使用多台GNSS接收机进行同步静态观测，获得测区控制点，并在待探测区域建立相对独立坐标系；

同步记录GNSS数据、惯性数据、激光数据，并通过紧耦合解算获得平台位置和姿态信息。

将采集获得的原始数据进行配准、拼接、降噪和点云数据融合处理，得到初始点云数据。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，根据不同地表物体的反射强度、回波次数、形状特征，设置地面坡度阈值等进行自动迭代计算，直至计算出合理的地面点为止。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，获取探测区域地下三维成像数据包括以下子步骤：

采集前，对三维探地雷达系统进行校正测距轮，并设置道间距、采样深度、采样频率、触发模式以及GPS波特率探测参数。

采集时，需在探测区域架设架设GNSS基准站进行连续跟踪观测，三维探地雷达系统逐行采集地下三维成像数据，通过发射天线向地面结构发射高频电磁波，反射的电磁波由接受天线接收后生成通道数据。对探地雷达系统搭载的GNSS接收机与GNSS基站数据数据进行后处理，获得数据采集的坐标与时间。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，提取轨迹平面坐标的具体步骤包括：

利用探地雷达测距轮最小测距单位和数据采集步距，计算基于轮程得平面坐标，即为探地雷达轨迹平面坐标。

根据数据的时间同步信息，从GNSS数据中提取出与探地雷达时间相同的有效GNSS数据，即为探地雷达轨迹平面坐标。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，高精度数字高程模型和轨迹平面坐标叠加，即探地雷达数据轨迹的高程和姿态赋值得到轨迹三维数据采用以下步骤：

根据探地雷达轨迹的平面坐标和数字高程模型的位置信息进行匹配，将探地雷达轨迹与高精度数字高程模型叠加。利用线性插值计算出探地雷达运行轨迹的高程，从而获得探地雷达轨迹的三维坐标。基于数字高程模型分别获得沿前进方向、垂直方向和侧向方向得坡度信息，从而获得探地雷达轨迹的三维姿态数据。

在上述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，三维探地雷达数据地形校正使用以下方法实现：

对探地雷达原始数据进行解震荡滤波、时间零点校正、信号增益、背景去噪、带通滤波、数据平滑、数据裁剪处理。

采用时间位移原理，将电磁波在标准参考面和地表面的距离转换为传播时间,获得探测点到标准参考面的统一传播时间,实现探地雷达数据的地形校正。

电磁波的传播时间与传播距离的换算是探地雷达的基本测量原理，使用地形表面代替统一的标准参考面，将雷达数据在深度方向上进行平移变换。

合并多个通道、多轨迹探地雷达数据，进行空间插值，生成带地形校正得三维地下影像数据。

与现有技术相比，本发明有以下优点：1)本发明利用三维激光移动扫描系统精准定位，获得高精度数字高程模型。IMU和激光扫描仪的加入避免了因地物遮挡等原因造成的GNSS定位信号差的问题。作业效率高，人工投入小，成果精度高，实用性强。2)本发明利用探地雷达系统中的GNSS装置获取探地雷达轨迹的平面坐标，然后根据坐标和数字高程模型进行叠加校正，无需提前设置探测轨迹来地形校正，使探地雷达探测更加灵活方便。3)本发明通过激光点云构建的高精度DEM对三维探地雷达图像的地形校正，消除了地面起伏对探地雷达图像形成的畸变，进而提高探地雷达图像解译的准确性，使探地雷达能在复杂地形环境下使用，提高了探地雷达实用性。

附图说明

图1是高精度地形校正的探地雷达数据精确定位流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例，进一步阐明本发明，实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本申请的高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，主要包括以下步骤：

1)在待探测区域建立相对独立坐标系，实例中坐标系采用与GNSS同步的WGS84坐标系，3°带，中央子午线为114°00′00″，投影面为23m测区平均高程面，以保证数据成果精度。

2)GNSS/IMU解算方法，采用GNSS/IMU伪距、伪距率紧耦合技术进行POS解算，

x₁＝(R_N+H)cosLcosλ

y₁＝(R_N+H)cosLsinλ

z₁＝[R_N(1-f)²+H]sinL

式中L、λ、H分别为载体的纬度、经度和高度R_N、f分别为卯酉圈上各点的曲率半径和参考椭球扁率，x₁、y₁、z₁分别为GNSS/IMU系统3个轴的坐标。

3)三维探地雷达系统获取探测区域地下三维成像数据，根据实际情况设置三维探地雷达的探测参数，设置的具体参数有：

①道间距，道间距应等于或小于通道间隔，实例设为0.05m。

②采样深度，根据实际待探测物体深度设置采样深度，实例设为10m。

③触发源，实例选择wheel为触发源。

4)为保证数字高程模型的精度，同时考虑后期计算及数据利用效率，数字高程模型的分辨率应与探地雷达数据采集道间距的数值相一致，实例设为0.05m。

5)探地雷达原始数据具体处理有：

①解震荡滤波，对每道数据的各样点做平均，去除上道数据造成的直流成分和直流偏移；

②时间零点校正，去除电磁波在空气层中传播的时间，校正探地雷达电磁波在介质体实际传播时间；

③信号增益，根据电磁波信号平均振幅衰减曲线对Y方向进行放大，减少信号在介质体在传播过程中的衰减；

④背景去噪，通过对选定道数在整个剖面消除一致性的噪声，抑制水平一致性的能量；

⑤带通滤波，通过不同频率探地雷达天线对应的低切频率和高切频率对每道数据用递归滤波进行带通滤波；

⑥数据平滑，对每个时间段选定的数据进行滑动平均，消除数据在水平方向上的能量散射。

6)探地雷达数据的地形校正，高程差通过插值公式计算：

式中，h(x)为该点相对于参考平面的高程差，v为电磁波在空气中传播速度，一般取值为0.3m/ns。

Claims (6)

1.一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取探测区域的高精度数字高程模型；

获取探测区域地下三维成像数据，并提取轨迹平面坐标；

将高精度数字高程模型和轨迹平面坐标叠加得到轨迹三维数据；

根据轨迹三维数据对地下三维成像数据进行校正；

其中，高精度数字高程模型和轨迹平面坐标叠加，即探地雷达数据轨迹的高程和姿态赋值得到轨迹三维数据采用以下步骤：

根据探地雷达轨迹的平面坐标和数字高程模型的位置信息进行匹配，将探地雷达轨迹与高精度数字高程模型叠加，利用线性插值计算出探地雷达运行轨迹的高程，从而获得探地雷达轨迹的三维坐标，基于数字高程模型分别获得沿前进方向、垂直方向和侧向方向得坡度信息，从而获得探地雷达轨迹的轨迹三维数据；

其中，三维探地雷达数据地形校正使用以下方法实现：

对探地雷达原始数据进行解震荡滤波、时间零点校正、信号增益、背景去噪、带通滤波、数据平滑、数据裁剪处理；

采用时间位移原理，将电磁波在标准参考面和地表面的距离转换为传播时间,获得探测点到标准参考面的统一传播时间,实现探地雷达数据的地形校正；

合并多个通道、多轨迹探地雷达数据，进行空间插值，生成带地形校正得三维地下影像数据。

2.根据权利要求1所述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：采用三维激光移动扫描系统获取探测区域的高精度数字高程模型，具体包括：

获取探测区域的初始点云数据；

将初始点云数据滤波得到最终的地面点；

根据最终的地面点内插构建三角网，生成探测区域的高精度数字高程模型。

3.根据权利要求1所述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：获取探测区域的初始点云数据具体包括

使用多台GNSS接收机进行同步静态观测，获得测区控制点，并在待探测区域建立相对独立坐标系；

同步记录GNSS数据、惯性数据、激光数据，并通过紧耦合解算获得平台位置和姿态信息；

将采集获得的原始数据进行配准、拼接、降噪和点云数据融合处理，得到初始点云数据。

4.根据权利要求1所述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：根据不同地表物体的反射强度、回波次数、形状特征，设置地面坡度阈值进行自动迭代计算，直至计算出合理的地面点为止。

5.根据权利要求1所述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：获取探测区域地下三维成像数据包括以下子步骤：

采集前，对三维探地雷达系统进行校正测距轮，并设置道间距、采样深度、采样频率、触发模式以及GPS波特率探测参数；

采集时，需在探测区域架设架设GNSS基准站进行连续跟踪观测，三维探地雷达系统逐行采集地下三维成像数据，通过发射天线向地面结构发射高频电磁波，反射的电磁波由接受天线接收后生成通道数据，对探地雷达系统搭载的GNSS接收机与GNSS基站数据数据进行后处理，获得数据采集的坐标与时间。

6.根据权利要求1所述的一种高精度地形校正的探地雷达数据精确定位方法，其特征在于：提取轨迹平面坐标的具体步骤包括：

利用探地雷达测距轮最小测距单位和数据采集步距，计算基于轮程得平面坐标，即为探地雷达轨迹平面坐标；

根据数据的时间同步信息，从GNSS数据中提取出与探地雷达时间相同的有效GNSS数据，即为探地雷达轨迹平面坐标。