仲躋文

(長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局，南京 210011)

0 引言

現(xiàn)如今，水文地質(zhì)測繪工程的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足需求，這是由于水文地貌十分復雜，不同地勢環(huán)境下會阻擋、反射和繞射信號，當信號完全被阻斷時，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，global navigation satellite system)在該地區(qū)根本無法定位，從而降低了信號的幾何結(jié)構(gòu)[1]。近年來，3D地質(zhì)建模、3D-GIS和BIM技術(shù)取得了快速發(fā)展，為改善水文地質(zhì)測繪的GNSS定位提供了機會，這些技術(shù)為數(shù)據(jù)集成、空間分析、模型構(gòu)建和三維數(shù)據(jù)可視化提供了各種方法。在這些技術(shù)的支持下，一些使用3D空間數(shù)據(jù)模型(如網(wǎng)格)的3D方法已被用于評估UUS規(guī)劃的地質(zhì)適用性，但在圖像獲取、衛(wèi)星定位等方面仍存在諸多問題[2-3]。

針對上述問題，文獻[4]提出了一種基于無人機的信息化測繪系統(tǒng)，由于采用了遺傳算法進行優(yōu)化過程，保證視圖覆蓋率的耗時空間探索變得更加有效。然而，該方法大多只進行2D感知和定位，這對視圖信息的獲取非常不利。文獻[5]通過整合水文地質(zhì)各種評估因素的參數(shù)值，然后使用平面方向的網(wǎng)格劃分計算水文地質(zhì)模型的適用性結(jié)果。然而，這種方法不能將水文地質(zhì)數(shù)據(jù)與固有的3D屬性或復雜的空間結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，并且總是會導致深度信息的丟失。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

對于水文地質(zhì)測繪方法，本研究基于雷達衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建了信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。

圖1 信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)

下面通過圖1對本研究的工作原理進行說明，在信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)上，監(jiān)控自動化系統(tǒng)可以收集信息化測繪系統(tǒng)的狀態(tài)(例如，CPU使用率，帶寬，數(shù)據(jù)量，功耗等)，并每隔一段時間將狀態(tài)信息發(fā)送到邊緣節(jié)點，每個節(jié)點中的傳輸模塊均進行數(shù)據(jù)壓縮和恢復，經(jīng)處理的測繪視圖在節(jié)點之間傳輸[6]。在信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)中，推理引擎組件對需要計算和存儲資源的測繪數(shù)據(jù)進行最終處理。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程主要包括序列化、數(shù)據(jù)包傳輸、解析與反序列化。測繪數(shù)據(jù)流被推送到云端進行處理，信息化測繪系統(tǒng)在每個節(jié)點上分配數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)主體以JSON字符串的格式設置，可以根據(jù)數(shù)據(jù)大小來確定數(shù)據(jù)包的范圍[7]。其中，網(wǎng)絡通信協(xié)議包括SMS無線網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)和光纖網(wǎng)，并提供提供SMA-COM，該接口具有專用串行通信，可從/到IED之間進行通信，并提供了TCP/IP通信。數(shù)據(jù)信息通過轉(zhuǎn)換，經(jīng)過路由器和防火墻之后，通過各種網(wǎng)絡類型的前置機到達了光端機，經(jīng)過交換機以及通信發(fā)送機傳遞給中高空衛(wèi)星[8]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 SCLaHS激光雷達系統(tǒng)的設計

為了得到精準的3D水位地質(zhì)圖，本研究設計了一種SCLaHS(supercontinuum laser hyperspectral)雷達系統(tǒng)，其原型由掃描鏡、慣性測量儀(IMU,inertial measurement unit)、GNSS與發(fā)射光子系統(tǒng)等幾個模塊組成。通過穩(wěn)定可靠的底座將每個模塊緊湊、輕質(zhì)和高結(jié)構(gòu)集成。此外，收發(fā)器子系統(tǒng)使用柔性和可彎曲光纖將激光器和檢測子系統(tǒng)耦合，以實現(xiàn)高緊湊性和柔性模塊，激光光源也被壓縮在一個輕巧的小模塊中[9]。最后，可以組裝SCLaHS激光雷達原型(見圖2)，該原型可以達到以下規(guī)格：

圖2 SCLaHS激光雷達原型

光學規(guī)格：光譜范圍：400～900 nm，光譜分辨率≥10 nm，頻帶數(shù)≥50，幀速率≥200 fps，激光全波形回波的量化數(shù)量：12位。

勘測規(guī)格：探測距離≥500 m，視野≥30°，激光足跡的大小≤0.1 mrad，激光點間距≤1 mrad，測距分辨率≤1 mm，發(fā)射和接收的聯(lián)合對準精度≤0.2像素，視線穩(wěn)定精度≤0.1 mrad。

激光種子源規(guī)格[10]：脈沖寬度≤2 ns，平均輸出>5 W，重復頻率：20 kHz～10 MHz，連續(xù)工作時間：4 000 h，400～900 nm的平均光譜功率密度≥15 mWnm-1。

對于SCLaHS雷達原型中多個傳感器同步控制，其包含一個通過中央控制單元控制的高頻時鐘。生成的高頻時鐘用作整個SCLaHS雷達系統(tǒng)的參考基準。整個系統(tǒng)通過同步觸發(fā)控制電路協(xié)同工作，各個組件的工作時序系列如圖3所示。

圖3 各個組件的工作時序系列

此外，本文還利用高頻幀相機輔助圖像幾何校正，提高了機載觀測數(shù)據(jù)的處理效率。為了最小化由負載系統(tǒng)顫振引起的接收輻射的時域色散效應，將帶被動低通濾波的隔振裝置和帶主動瞄準穩(wěn)定的穩(wěn)定平臺結(jié)合起來，以控制整個觀測的穩(wěn)定。SCLaHS激光雷達的結(jié)構(gòu)還包括以下兩個關(guān)鍵部分，關(guān)鍵技術(shù)設計如下文所示。

2.1.1 雙面鏡擺掃描系統(tǒng)

雙面鏡擺掃描系統(tǒng)旨在實現(xiàn)輸出光束的準直和擴展，減小光束的發(fā)散角，提高遠場激光束的輻射強度。該子系統(tǒng)使用雙面鏡擺掃描系統(tǒng)，以實現(xiàn)30°以上的視線方向角。回波信號的全波形同步檢測通過激光發(fā)射器和接收光學子系統(tǒng)以及回波檢測子系統(tǒng)的同軸/同軸孔徑實現(xiàn)，激光超光譜發(fā)射使用背對背的反射鏡以周期形式掃描整個周期，交叉飛行方向掃描結(jié)合移動平臺，以并行模式實現(xiàn)逐條勘測[11]。收發(fā)器光學子系統(tǒng)的高精度孔徑采用垂直光軸設計，在光路上放置45°折疊鏡，使發(fā)射器和收發(fā)器光軸平行，通過精確調(diào)整折疊式反射鏡和收發(fā)機光學系統(tǒng)的合理孔徑比，可獲得高于0.2 mrad共對準精度的光學系統(tǒng)，雙面鏡擺掃描系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 雙面鏡擺掃描系統(tǒng)

如圖4所示，為了制作該子系統(tǒng)中最主要的反射鏡之一的凸面雙曲面，采用后球面零點補償標定和自準直法檢測光路是否存在干涉。對于二次反射鏡，即圓錐非球面反射鏡，采用零位補償法對鏡形精度進行標定和補償。將基于像差補償?shù)淖顑?yōu)收斂算法應用于固定自由度定量自動系統(tǒng)的安裝中。

2.1.2 超連續(xù)譜激光源

為了產(chǎn)生超連續(xù)譜激光源，引入組件皮秒光纖激光振蕩器(FPLO, fiber picosecond laser oscillator)為整個SCLaHS激光雷達系統(tǒng)中提供激光種子源，方案如圖5所示。

圖5 通過FPLO的種子源

由于SCLaHS激光雷達系統(tǒng)的輸出完全依賴于激光振蕩器的脈沖質(zhì)量、穩(wěn)定性和其他特性，因此激光振蕩器對于皮秒激光系統(tǒng)至關(guān)重要。為此，本文首先通過求解非線性薛定諤方程來設計激光腔。通過這樣做，解決了光纖皮秒種子源中脈沖演化的動力學問題，并評估了功率、脈沖寬度、時間抖動、功率穩(wěn)定性等參數(shù)的輸出特性。因此，確定了諸如光纖長度、濾波器帶寬和激光種子源中的半導體可飽和吸收體(SESAM,semi-conductor saturable absorber mirrors)調(diào)制深度等其他參數(shù)。此外，在仿真模型中引入噪聲源，研究了諧振腔中各種噪聲源的非線性耦合動力學。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，適當設計激光因素，如可調(diào)皮秒激光種子源的非線性、色散和耗散，會產(chǎn)生非線性吸引子，這在很大程度上抑制了量子噪聲的放大，有效地提高了激光器的穩(wěn)定性，提高了激光種子源的信噪比。

2.2 新型3D定位算法

在本節(jié)中，本研究提出了一種基于位置域的水文地質(zhì)測繪定位方法，將基于測距的GNSS定位與陰影匹配算法相結(jié)合，計算GNSS測距和陰影匹配位置解的加權(quán)平均值，可以獲得綜合位置解x0，其表達式為：

(1)

式(1)中，xSp和xR分別是指陰影匹配和GNSS測距位置解，WSp和WR是各自解的權(quán)重矩陣。利用GNSS測距和陰影匹配位置解各自的協(xié)方差矩陣的倒數(shù)對其進行加權(quán)，從而隱式假設其誤差分布為高斯分布。首先是推導GNSS測距位置協(xié)方差矩陣，本研究使用最小二乘估計[12]從水文地質(zhì)模型中提取一組偽距測量值和地形輔助高度測量值計算位置解，其表達式為：

(2)

(3)

式(3)中，p是第j顆衛(wèi)星信號為直接服務水平的概率，σρ是估計的偽距誤差標準偏差，σh是高度輔助測量的誤差標準差。在傳統(tǒng)的GNSS測距當量中，省略了p項和最后一行和一列。在最小二乘估計中，狀態(tài)估計協(xié)方差矩陣由下式給出：

(4)

鑒于非高斯測量分布的基于協(xié)方差的加權(quán)的局限性，對于陰影匹配算法本文研究了一種確定性加權(quán)法，能使得陰影匹配在視線方向上通常更精確。因此，水文地貌邊界(已用于陰影匹配)用于確定視線方位角，然后用于為視線上的陰影匹配解決方案分配較高的權(quán)重，并沿視線分配較少的權(quán)重，反之亦然，用于GNSS測距解決方案。當建筑物高度與視線寬度之比較高時，應用更大的權(quán)重[13]。

使用3D水文地質(zhì)模型計算水文地貌邊界，并將數(shù)據(jù)存儲為包含兩列的文本文件。第一列表示方位角(從北面順時針測量)，第二列表示仰角(從地面測量)，在該仰角上方可以看到特定方位方向的GNSS衛(wèi)星,如圖6所示。

圖6 水文地貌邊界定義

然而在實際上，搜索區(qū)域中通常會有多條視線，因此每個候選位置都需要與特定視線關(guān)聯(lián)。首先，計算每個點的視線方位角，并將具有相似方位角的點分組在一起。這將分隔具有不同方位角的視線，但不會分隔平行視線。因此，需要第二步。對于具有相似方位角的每組點，提取其中的一組視點。對于每個東距坐標，最多選擇兩個符合視點標準的視點，這有效地選擇了落在視線中間的觀點。如果兩個以上的候選對象滿足視點標準，則選擇搜索區(qū)域內(nèi)具有最高和最低北距的候選對象，提供不同視線上的視點。然后，將每個網(wǎng)格點關(guān)聯(lián)到橫穿視線方向最近的視點，有效地將其分配到特定視線[14]。關(guān)于搜索區(qū)域網(wǎng)格點落在兩條平行視線上的情況如圖7所示。

圖7 候選位置與平行視線的關(guān)聯(lián)

此外，GNSS測距和陰影匹配位置的權(quán)重系數(shù)在搜索區(qū)域內(nèi)的每個網(wǎng)格點p，其沿視線方向和跨越視線方向是根據(jù)點p的水文地貌高度與視線寬度之比確定的[15-16]。要找到該比率，首先要確定沿與視線方向垂直的兩個方位角上水文地貌邊界最高的點，以此來找到最靠近視線方向兩側(cè)水文地貌的相鄰點，這兩個相鄰點之間的坐標差即為視線寬度wp。然后，使用沿垂直于視線方位角的候選位置處的水文地貌邊界角θ以及到該點的跨街距離△wp，則水文地貌高度h與視線寬度之比估計為：

(5)

式(5)中，δhw表示水文地貌高度與視線寬度之比。之后，可以得到p點陰影匹配的加權(quán)矩陣為：

(6)

式(6)中，Cp是從點p的坐標變換矩陣，由下式給出：

(7)

式(7)中，θ是點p所屬視線的方位角。綜上所述，根據(jù)3D水文地質(zhì)模型每個點的陰影匹配分數(shù)來對各個點的矩陣進行加權(quán)[17-18]，從而獲得陰影匹配和GNSS測距位置解的總體加權(quán)矩陣。因此：

(8)

式(8)中，n是陰影匹配搜索區(qū)域中網(wǎng)格點的總數(shù)，Sp是點p的陰影匹配分數(shù)。

3 實驗與分析

為了驗證本研究設計的信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)的實用性與可靠性，本研究通過調(diào)研當?shù)厮牡刭|(zhì)相關(guān)政府部門，收集了關(guān)于市郊外X流域的水文地質(zhì)信息并進行模擬實驗，在本次實驗中所選取的計算機模擬環(huán)境為：選用Windows 10作為操作系統(tǒng)平臺，設置計算機內(nèi)存為32 G，Intel Xeon W-2145 CPU 3.70 GHz，硬盤8 T，進行模擬實驗，其中實驗數(shù)據(jù)約為2 GB[19-20]。

關(guān)于勘探工程的布置原則，本研究采用高斯投影三度帶，共加密勘測點20個，其點位中誤差0.15～0.18 m，最弱邊相對中誤差l/30 000～l/40 000，精度符合規(guī)范要求。進入勘探以后進行了圖根點加密，共加密圖根點53個，其點位中誤差0.05～0.96 m，精度符合規(guī)程要求。關(guān)于X流域勘測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水文地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)

對于X流域勘測數(shù)據(jù)的規(guī)格標準，本文做到了以下幾點：采用前、后方交會等方法施測的普、詳查階段59個和勘探階段96個鉆孔坐標和高程精度均在誤差范圍以內(nèi)，精度可靠，滿足規(guī)程要求；采用經(jīng)緯儀高程導線法測量施測水域和洪泛節(jié)點192個，高程中誤差精度符合水文地質(zhì)測繪的要求；采用經(jīng)緯儀光線法施測的地質(zhì)圖地質(zhì)點，符合規(guī)范要求；采用交會法測定的二維地震測線端點、轉(zhuǎn)折點平面坐標和高程，滿足規(guī)章標準的精度要求。

在本次模擬實驗中通過將采集到的建筑遙感圖像進行分割，并將圖像輸入數(shù)字高程模型中進行特征圖像提取，然后將得到特征圖像輸入?yún)^(qū)域生成網(wǎng)絡中，得出特征圖像的候選框，利用預測器分析候選框的特征，并得出其的類別、位置以及圖像掩碼的預測值，之后，進行標準化后繪制3D水文地質(zhì)模型，實驗中其建模過程如圖8所示。

圖8 3D水文地質(zhì)建模實驗過程

為了驗證本研究設計的3D定位算法的性能，將與文獻[4]、文獻[5]測繪系統(tǒng)中所采用的定位算法進行性能比較，采用平均精度(mAP,mean average precision)作為評價指標，在本次實驗進行模型訓練時，采用以10張圖像為一個訓練批次，已知當進行20個小時的訓練后，其損失函數(shù)不再下降。通過利用這3種方法對0～2 GB的水文地質(zhì)圖像數(shù)據(jù)進行特征提取，其定位精度結(jié)果如表2、圖9所示。

表2 不同系統(tǒng)的定位性能對比

圖9 不同系統(tǒng)的定位性能對比

通過表2中數(shù)據(jù)可以看出，本研究設計算法所獲得的mAP值比其他方法高10%以上，因此本研究測繪系統(tǒng)中所采用的定位算法精度均遠高于其他算法，這表明該算法可以有效并且準確勘測水文地貌的特定方位特征點。

4 結(jié)束語

對于水文地質(zhì)測繪方法，本研究基于雷達衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建了信息化水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)，每隔一段時間將狀態(tài)信息發(fā)送到邊緣節(jié)點，每個節(jié)點中的傳輸模塊均進行數(shù)據(jù)壓縮和恢復，經(jīng)處理的測繪視圖在節(jié)點之間傳輸。此外，本研究還對SCLaHS雷達的設計進行了一項創(chuàng)新性研究，采用多芯微結(jié)構(gòu)光纖、全保偏光纖和超長腔結(jié)構(gòu)，開發(fā)了超連續(xù)譜激光源，研制了一種小型化像差校正全息凹面光柵光譜儀和條紋管技術(shù)，激光回波檢測。為SCLaHS激光雷達點云數(shù)據(jù)三維大地坐標計算提供了算法理論基礎，包括3D定位算法。經(jīng)過實驗驗證，所設計的水文地質(zhì)測繪系統(tǒng)是可行的，但在雷達信息傳輸上仍受到噪聲干擾性強，未來會針對于信號濾波進行優(yōu)化和改進工作。