[发明专利]一种地面三维激光点云与探地雷达图像融合的方法

摘要

本发明公开了一种地面三维激光点云与探地雷达图像融合的方法，在探地雷达图像与GPS数据同步采集基础上，利用改进的电磁波路径传播模型实现探地雷达图像的时深转换，以地面三维激光数据所在坐标系为参考，结合地理参考绝对定位方程将两不同源异构数据转换到同一坐标系下，实现数据融合。本发明根据地面三维激光扫描仪与探地雷达的数据特点，提出基于三维激光点云与探地雷达图像融合方法，实验结果和误差分析证明，流程比较简单，融合精度较高，具有广泛的适应性；克服两不同源异构数据的分辨率和数据量之间的差异，充分发挥三维激光扫描仪与探地雷达两个传感器各自优势，实现两种不同类型数据之间的有效融合。

主权项

1.一种地面三维激光点云与探地雷达图像融合的方法，其特征在于，在探地雷达图像与GPS数据同步采集基础上，利用改进的电磁波传播路径模型实现探地雷达图像的时深转换，以地面三维激光数据所在坐标系为参考，结合地理参考绝对定位方程将两不同源异构数据转换到同一坐标系下，实现数据融合，其步骤如下：步骤一：地面三维激光扫描仪采集的点云数据和高分辨率影像直接融合生成彩色激光点云，进行滤波和抽稀处理后，结合三个或三个以上地面已知控制点通过七参数转换法将彩色激光点云由仪器坐标系转换到大地坐标系下；步骤二：对探地雷达采集的二维时间剖面图像进行相应的数据后处理，后处理包括解震荡滤波、自动增益、背景滤波、带通滤波和图像平滑处理；步骤三：根据探地雷达和GPS同步采集后的时间同步文件，将处理后的探地雷达图像与GPS坐标进行精确匹配，得到探地雷达图像竖直方向上首个采样点的坐标；步骤四：在改进的电磁波传播路径模型基础上，根据电磁波在介质中的传播速度实现探地雷达图像纵轴方向上的时深转换，由首个采样点的坐标得到探地雷达图像上所有采样点坐标；步骤五：根据探地雷达数据采集方式建立了探地雷达探测空间坐标系，以三维激光点云所在坐标系为参考，建立三维激光点云与探地雷达坐标系之间的参数转换模型，将探地雷达图像上所有采样点统一到同一坐标系中，实现探地雷达图像与三维激光点云的融合；所述探地雷达与GPS同步采集的方法为：(1).探地雷达采集的二维时间剖面图像e(xi,tj)，1≤i≤M,1≤j≤N，M为探地雷达图像道数，i为探地雷达图像的第i道数据，N为每道数据上的采样点数，j为第j个采样点，则探地雷达在水平距离xi＝i·Δx，Δx为采样的道间距，探地雷达在纵轴上的时间往返信号为tj＝j·Δt，Δt为采样时间间隔；(2).测距轮的精度Δd＝C/Nd，其中，C为测距轮的周长，Nd为测距轮旋转一周的脉冲个数；(3).由于探地雷达和GPS之间的数据采集是通过测距轮同步触发，探地雷达主机与GPS主机接收的脉冲数应一致，即NGPS＝M·(Δx/Δd)，NGPS为GPS打标文件中记录的脉冲事件个数；(4).GPS接收机同时获取每一个外部脉冲和绝对时刻的空间位置坐标，建立采集的探地雷达数据与GPS数据的对应关系为：(xi,yi,zi)GPS＝i·(Δx/Δd)·(xi,yi,zi)GPR，1≤i≤M,其中，(xi,yi,zi)GPS和(xi,yi,zi)GPR分别为同一时刻探地雷达天线上的流动站GPS的坐标和探地雷达图像上第i道数据的坐标；从而获取探地雷达图像上每道数据的位置信息；(5).由于GPS天线的中心与探地雷达天线的中心重合，坐标转换的过程中x轴和y轴方向的平移矢量为零，只需计算z轴方向的平移矢量，那么探地雷达图像第i道数据的位置信息为：(xs,ys,zs)GPR＝(xi,yi,(zi‑hGPS))GPS；其中，hGPS为GPS天线到探地雷达天线中心位置的高度；(xs,ys,zs)GPR为探地雷达天线中心位置的坐标，(xi,yi,zi)GPS为探地雷达天线上的流动站GPS的坐标；所述改进的电磁波传播路径模型包括探地雷达发射天线与接收天线间的电磁波在空气中传播的直达波和地面下的反射波，电磁波的地面下反射面的深度h为：t1＝t‑t0式中，v为电磁波在介质中的传播速度；d为发射天线和接收天线之间的距离，探地雷达屏蔽天线收发天线之间的距离是固定不变的，不同频率天线的天线距也不相同；t为探地雷达剖面记录下的电磁波传播的双程时间；t0为地表直达波传播的双程时间；t1为电磁波从发射天线到遇到异常体的双程传播时间。