论文部分内容阅读
[摘 要]本文主要论述了机载LiDAR数据在矿区的应用。数字表面模型的构建能够完全的显示矿区地表的景观信息，可为构建矿区三维景观构建提供数据支持；数字高程模型可用来分析矿区沉陷区的面积、监控沉陷量、土壤侵蚀等；因开采沉陷而引起的建筑物损坏等通过建筑物的重建而得到直观的表达。同时针对这些应用，通过自主编程和软件操作进行实现。
[关键词]LiDAR； DM；DSM；DEM
中图分类号：TP113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）26-0290-02
引言
自1998年美国副总统戈尔在《数字地球——展望21世纪我们这颗行星》的报告中提出了“数字地球”（Digital Earth DE），“数字中国”（Digital China DC），“数字矿山”（Digital Mine DM）的概念随即出现。
2000吴立新教授[1]将矿山企业信息化建设大体分为四个层次：“无路无车”、“有路无车”、“车货不一”、“车货统一”。其中“车货统一”是现代化矿山企业的最终趋势。现在DM已经有了一定的成果，如神华集团神东公司的综合自动化采煤系统、开滦集团的企业信息化与电子矿图系统等侧重点不同的矿山建设[2]。以神华集团神东上湾煤矿设备运行及效能管理系统（MES系统）为例，该系统实现了生产现场综合自动化系统中生产、设备、采场条件等实时数据与管理应用系统业务数据的整合；提供了一个快速反应、有弹性、精细化的生产现场实时数字化视图；帮助生产人员与管理人员及时、准确获取作业效率、资源效率以及影响效率的现场动态因素，为诊断和解决生产环节隐藏的问题或隐患提供科学准确的依据，最终帮助神东分公司达成企业战略目标[3]。
数字矿山的基本结构可大致分为地面和井下两部分。在地面信息的表达上，机载激光雷达（light detect and ranging LiDAR）作为一种新的获取数据的方式，在构建矿区数字表面模型（digital surface model DSM）、数字高程模型（digital elevation model DEM），矿区建筑物重建，矿区沉陷监控等方面有着一定的应用空间。
1 机载LIDAR简要介绍
机载LIDAR的发展始自1970年美国航天局（NASA）的研发，集成了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术、CCD数字相机。全球定位系统（Global PositioningSystem，GPS）、惯性导航系统（InertiallnertiNavigation System，INS）及其集成技术的发展，使精确测姿定位技术得以成熟发展。
近年来，机载激光雷达技术得到了蓬勃的发展，机载LiDAR系统在硬件系统设计技术方面已经比较成熟，三维空间位置测量精度达到相当高的水平，其水平测量精度优于30cm，垂直测量精度优于10cm。欧美等发达国家先后研制出多种激光雷达测量系统，主要包括FLI-MAP（Fugro）、LiteMapper（IGI）、ALS（Leica Geosystems）、ALTM Gemini（Optech）、LMS（Riegl LMS）、TopEye（TopEye）、的Falcon（TopoSys GmbH），Harrler（TopoSys GmbH）等，相对应的商业软件系统有Terrasolid（Terrasolid）、QT Modeler（Applied Imagery）、Las Tools（fpI fuchs IngenIeure）、Geocode（GeoLas Consulting）、LiDAR Box（Inpho）、MARS（Merrick & Company）、LiDAR Explorer for ArcGIS（ProLogIc）、TopPIT（TopoSys GmbH）、LiDAR Analyst（Visual Learning Systems）等[4]。
相较于传统的摄影测量方法，机载LiDAR系统能够主动、全天候、逐点直接获取地面三维坐标，同时容易实现数据处理自动化。机载LiDAR能够提供的数据产品包括点云数据、DSM、DEM、DOM、DHM、电力线路、电子沙盘。机载LiDAR提供的数字产品广泛应用于城市测量、线路及通道工程勘测设计、铁路等检测、矿区检测监控、防洪和水压模拟、森林管理、海岸线保护等各个领域。机载LiDAR技术在矿山上的应用如图1所示。
2 机载LiDAR数据构建矿区三维景观模型
机载LiDAR能够直接获取包括地面、建筑物、植被以及车辆、行人等在内的所有地表点的三维坐标信息。而基于机载LiDAR数据构建的DSM描述的是在一定空间范围内建筑物、树木、地面等人工及自然地物的上表面数字模型。DSM中表达的地物是永久地物和临时静地物，临时动地物不表示。故而建立DSM的第一步是将临时动地物剔除。临时动地物的剔除，可先考量临时动地物的特征（行人、车辆面积较小、与地面接近并近似垂直等特征），基于TIN构建的表面模型利用坡度、高程等信息进行剔除。同时也可以逆向考虑，基于机载LiDAR数据分割获取地面点、植被点、建筑物点，从而构建表面模型。或者考虑到车辆行人等大多位于道路上，利用一定的算法，基于离散点云分割得到道路信息，从而基于道路将车辆、行人等滤除。
本文中的试验是应用TerraSoild软件，根据高程晕渲图和DOM进行比对，对车辆、行人等进行人工编辑，剔除临时动地物点，构建DSM。通过图2-a可以看到，植被、道路、建筑物以及地形信息都得到了很好的表达。
3 機载LiDAR数据构建矿区DEM并应用分析
为从激光脚点数据点云中获取地面信息，需要对机载LiDAR點云数据进行地物点滤除，即滤波。目前的LiDAR离散点云数据滤波算法研究主要集中在德国、瑞士、荷兰、美国以及加拿大等国家。对于算法的研究，已经有很多年，基于单个算法的滤波方式已经发展成熟，例如基于形态学的、基于内插的、基于分割的[5]。 现行的滤波算法[6]都有一定的应用针对性和优劣势，基于组合不同的算法于一个滤波平台上，并考虑综合利用回波强度信息、多次回波信息、全波形数据信息，以及其他数据源，而不只是基于点间的几何关系，对于提高滤波精度、减小手动编辑量等有着很好的优势。对同一地区，TerraSoild获取的DEM如图2-b所示，TIN迭代滤波获取的DEM如图2-c所示。针对某一地区的DEM，TerraSolid软件可计算出沉陷区的面积及体积，从而为土地复垦、环境影响评价等提供数据支持。针对同一地区不同时期的DEM，通过TerraSoild软件，可计算出体积的变化，从而进行矿区沉陷监控。因开采沉陷引起的土地侵蚀，在机载LiDAR数据构建的DEM中能够得到一定的表达，通过坡向的分析可推断开采引起的地表侵蚀程度。坡向分析如图2-d所示。
4 矿区建筑物重建并应用分析
因机载LiDAR数据本身所具有的特点及优势，故而在实时更新矿区建筑物数据库方面具有一定的优势。开采沉陷会对地面建筑物造成一定程度的破坏，及时获取建筑物的破坏情况对指导井下工作面开采和进行建筑物破坏赔偿具有一定的指导意义。
利用机载LiDAR数据进行建筑物重建[7]一般可分为两部分：房屋检测与重建。仅采用LiDAR数据来提取和重建建筑物模型时，可基于Delaunay三角网、多次Hough变换、小波变换、高程和几何形态等信息。简单的建筑物模型建立时，首先在滤波获取的地物点中，利用方向、距离等信息对建筑物顶面点聚类（如图2-e所示），同时将每一栋建筑物分离；标记建筑物边界线，并将识别的边界线按照端点进行首尾相连，构建出初始轮廓线；利用矩形外接圆法、分类强制正交法等方法对建筑物轮廓线进行规则化（如图2-f所示）；加入高程信息，进行简单建筑物模型建立（如图2-g所示）。
5 总结
机载LiDAR作为新兴的获取空间信息的技术，随着软硬件的逐渐成熟，在各个领域内的优势逐渐显示出来，而在矿区生产及建设过程中，机载LiDAR作为一种主动式测量手段，有很强的优势，同时因其缺乏光谱、纹理等信息，在矿区环境监测等方面需要融合其他信息源。对于数字矿山的另一组成部分“数字井下”，因机载LiDAR仅能获取地表点的信息，故而必须结合利用其他信息源，诸如地面LiDAR、传统测量手段等共同完成数字矿山的构建。
参考文献
[1] 吴立新.中国数字矿山进展[J].地理信息世界，2008（5）：6-13.
[2] 吴立新，殷作如，邓智毅等.论21世纪的矿山——数字矿山[J].煤炭学报，2000，25（4），337-343.
[3] 神东上湾煤矿设备运行及效能管理系统.http：//hginfo.com.cn/HTML/05/05-03.htm/.
[4] Airborne LiDAR Sensors & Airborne LiDAR Processing Software.product survey of GIM International， 2007.02.
[5] 黃先鋒，李卉，王潇，张帆.机载LiDAR数据滤波方法评述[J].测绘学报，2009，38（5）：466-469.
[6] G.Vosselman and H.G.Maas.Airborne and Terrestrial Laser Scanning[M].Whittles Publishing，Dunbeath，Caithness KW66EY， Scotland，UK.2010.
[7] 张志超.融合机载和地面LIDAR数据的建筑物三维重建研究[D].武汉：武汉大学，2010.
[关键词]LiDAR； DM；DSM；DEM
中图分类号：TP113 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）26-0290-02
引言
自1998年美国副总统戈尔在《数字地球——展望21世纪我们这颗行星》的报告中提出了“数字地球”（Digital Earth DE），“数字中国”（Digital China DC），“数字矿山”（Digital Mine DM）的概念随即出现。
2000吴立新教授[1]将矿山企业信息化建设大体分为四个层次：“无路无车”、“有路无车”、“车货不一”、“车货统一”。其中“车货统一”是现代化矿山企业的最终趋势。现在DM已经有了一定的成果，如神华集团神东公司的综合自动化采煤系统、开滦集团的企业信息化与电子矿图系统等侧重点不同的矿山建设[2]。以神华集团神东上湾煤矿设备运行及效能管理系统（MES系统）为例，该系统实现了生产现场综合自动化系统中生产、设备、采场条件等实时数据与管理应用系统业务数据的整合；提供了一个快速反应、有弹性、精细化的生产现场实时数字化视图；帮助生产人员与管理人员及时、准确获取作业效率、资源效率以及影响效率的现场动态因素，为诊断和解决生产环节隐藏的问题或隐患提供科学准确的依据，最终帮助神东分公司达成企业战略目标[3]。
数字矿山的基本结构可大致分为地面和井下两部分。在地面信息的表达上，机载激光雷达（light detect and ranging LiDAR）作为一种新的获取数据的方式，在构建矿区数字表面模型（digital surface model DSM）、数字高程模型（digital elevation model DEM），矿区建筑物重建，矿区沉陷监控等方面有着一定的应用空间。
1 机载LIDAR简要介绍
机载LIDAR的发展始自1970年美国航天局（NASA）的研发，集成了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术、CCD数字相机。全球定位系统（Global PositioningSystem，GPS）、惯性导航系统（InertiallnertiNavigation System，INS）及其集成技术的发展，使精确测姿定位技术得以成熟发展。
近年来，机载激光雷达技术得到了蓬勃的发展，机载LiDAR系统在硬件系统设计技术方面已经比较成熟，三维空间位置测量精度达到相当高的水平，其水平测量精度优于30cm，垂直测量精度优于10cm。欧美等发达国家先后研制出多种激光雷达测量系统，主要包括FLI-MAP（Fugro）、LiteMapper（IGI）、ALS（Leica Geosystems）、ALTM Gemini（Optech）、LMS（Riegl LMS）、TopEye（TopEye）、的Falcon（TopoSys GmbH），Harrler（TopoSys GmbH）等，相对应的商业软件系统有Terrasolid（Terrasolid）、QT Modeler（Applied Imagery）、Las Tools（fpI fuchs IngenIeure）、Geocode（GeoLas Consulting）、LiDAR Box（Inpho）、MARS（Merrick & Company）、LiDAR Explorer for ArcGIS（ProLogIc）、TopPIT（TopoSys GmbH）、LiDAR Analyst（Visual Learning Systems）等[4]。
相较于传统的摄影测量方法，机载LiDAR系统能够主动、全天候、逐点直接获取地面三维坐标，同时容易实现数据处理自动化。机载LiDAR能够提供的数据产品包括点云数据、DSM、DEM、DOM、DHM、电力线路、电子沙盘。机载LiDAR提供的数字产品广泛应用于城市测量、线路及通道工程勘测设计、铁路等检测、矿区检测监控、防洪和水压模拟、森林管理、海岸线保护等各个领域。机载LiDAR技术在矿山上的应用如图1所示。
2 机载LiDAR数据构建矿区三维景观模型
机载LiDAR能够直接获取包括地面、建筑物、植被以及车辆、行人等在内的所有地表点的三维坐标信息。而基于机载LiDAR数据构建的DSM描述的是在一定空间范围内建筑物、树木、地面等人工及自然地物的上表面数字模型。DSM中表达的地物是永久地物和临时静地物，临时动地物不表示。故而建立DSM的第一步是将临时动地物剔除。临时动地物的剔除，可先考量临时动地物的特征（行人、车辆面积较小、与地面接近并近似垂直等特征），基于TIN构建的表面模型利用坡度、高程等信息进行剔除。同时也可以逆向考虑，基于机载LiDAR数据分割获取地面点、植被点、建筑物点，从而构建表面模型。或者考虑到车辆行人等大多位于道路上，利用一定的算法，基于离散点云分割得到道路信息，从而基于道路将车辆、行人等滤除。
本文中的试验是应用TerraSoild软件，根据高程晕渲图和DOM进行比对，对车辆、行人等进行人工编辑，剔除临时动地物点，构建DSM。通过图2-a可以看到，植被、道路、建筑物以及地形信息都得到了很好的表达。
3 機载LiDAR数据构建矿区DEM并应用分析
为从激光脚点数据点云中获取地面信息，需要对机载LiDAR點云数据进行地物点滤除，即滤波。目前的LiDAR离散点云数据滤波算法研究主要集中在德国、瑞士、荷兰、美国以及加拿大等国家。对于算法的研究，已经有很多年，基于单个算法的滤波方式已经发展成熟，例如基于形态学的、基于内插的、基于分割的[5]。 现行的滤波算法[6]都有一定的应用针对性和优劣势，基于组合不同的算法于一个滤波平台上，并考虑综合利用回波强度信息、多次回波信息、全波形数据信息，以及其他数据源，而不只是基于点间的几何关系，对于提高滤波精度、减小手动编辑量等有着很好的优势。对同一地区，TerraSoild获取的DEM如图2-b所示，TIN迭代滤波获取的DEM如图2-c所示。针对某一地区的DEM，TerraSolid软件可计算出沉陷区的面积及体积，从而为土地复垦、环境影响评价等提供数据支持。针对同一地区不同时期的DEM，通过TerraSoild软件，可计算出体积的变化，从而进行矿区沉陷监控。因开采沉陷引起的土地侵蚀，在机载LiDAR数据构建的DEM中能够得到一定的表达，通过坡向的分析可推断开采引起的地表侵蚀程度。坡向分析如图2-d所示。
4 矿区建筑物重建并应用分析
因机载LiDAR数据本身所具有的特点及优势，故而在实时更新矿区建筑物数据库方面具有一定的优势。开采沉陷会对地面建筑物造成一定程度的破坏，及时获取建筑物的破坏情况对指导井下工作面开采和进行建筑物破坏赔偿具有一定的指导意义。
利用机载LiDAR数据进行建筑物重建[7]一般可分为两部分：房屋检测与重建。仅采用LiDAR数据来提取和重建建筑物模型时，可基于Delaunay三角网、多次Hough变换、小波变换、高程和几何形态等信息。简单的建筑物模型建立时，首先在滤波获取的地物点中，利用方向、距离等信息对建筑物顶面点聚类（如图2-e所示），同时将每一栋建筑物分离；标记建筑物边界线，并将识别的边界线按照端点进行首尾相连，构建出初始轮廓线；利用矩形外接圆法、分类强制正交法等方法对建筑物轮廓线进行规则化（如图2-f所示）；加入高程信息，进行简单建筑物模型建立（如图2-g所示）。
5 总结
机载LiDAR作为新兴的获取空间信息的技术，随着软硬件的逐渐成熟，在各个领域内的优势逐渐显示出来，而在矿区生产及建设过程中，机载LiDAR作为一种主动式测量手段，有很强的优势，同时因其缺乏光谱、纹理等信息，在矿区环境监测等方面需要融合其他信息源。对于数字矿山的另一组成部分“数字井下”，因机载LiDAR仅能获取地表点的信息，故而必须结合利用其他信息源，诸如地面LiDAR、传统测量手段等共同完成数字矿山的构建。
参考文献
[1] 吴立新.中国数字矿山进展[J].地理信息世界，2008（5）：6-13.
[2] 吴立新，殷作如，邓智毅等.论21世纪的矿山——数字矿山[J].煤炭学报，2000，25（4），337-343.
[3] 神东上湾煤矿设备运行及效能管理系统.http：//hginfo.com.cn/HTML/05/05-03.htm/.
[4] Airborne LiDAR Sensors & Airborne LiDAR Processing Software.product survey of GIM International， 2007.02.
[5] 黃先鋒，李卉，王潇，张帆.机载LiDAR数据滤波方法评述[J].测绘学报，2009，38（5）：466-469.
[6] G.Vosselman and H.G.Maas.Airborne and Terrestrial Laser Scanning[M].Whittles Publishing，Dunbeath，Caithness KW66EY， Scotland，UK.2010.
[7] 张志超.融合机载和地面LIDAR数据的建筑物三维重建研究[D].武汉：武汉大学，2010.