劉勝杰，黃振利，楊 磊，劉云龍

(中國人民解放軍第32022部隊，武漢 430079)

0 引言

反射式激光雷達是用來檢測目標(biāo)位置和速度等特征的雷達系統(tǒng)，其工作運行方式是將探測信號發(fā)送給目標(biāo)，并將所接收到的目標(biāo)回波信號與所發(fā)送的目標(biāo)信號進行對比，經(jīng)過合適的預(yù)處理即可獲取目標(biāo)的相關(guān)資訊，如距離、方位、高度、速度、姿態(tài)和形狀等，從而探測出目標(biāo)。反射式激光雷達將GPS與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相融合，通過兩者密切配合可以準確地分辨特定的反射速度所造成的沖擊痕跡，能夠獲得精確的數(shù)字高程模型，具有激光的測距精度高的技術(shù)優(yōu)勢。

我國是一個國土遼闊、森林資源豐富的國家，多樣的地理類型造就了多樣的水土類型[1]。隨著地殼的運動，地貌在潛移默化中發(fā)生巨大的改變。由于我國基建需求，自20世紀80年代開始對山地樹木、礦山大量開采，從而導(dǎo)致我國大量的土地水資源流失，山體框架改變，極易引發(fā)泥石流、滑坡等自然災(zāi)害[2-3]?；谏鲜鰡栴}，對我國山地地理特征進行必要的測量監(jiān)測，就成為政府林業(yè)部門急需解決的問題之一。針對這一問題的研究較多，以遙感圖像為基礎(chǔ)的監(jiān)測測量方法，在這方面起到巨大的作用，為了能夠更加明確我國山地地理現(xiàn)狀，相關(guān)學(xué)者一直對我國山地的地理監(jiān)測方法展開進一步優(yōu)化研究。

文獻[4]中首先將基站作為遠端散射體，移動臺作為近端散射體對數(shù)據(jù)進行采集；通過采集結(jié)果建立三維的信道模型；通過米塞斯分布方法獲取模型方位角、仰角等分布參數(shù)；利用相關(guān)函數(shù)計算模型，根據(jù)計算結(jié)果實現(xiàn)地理的監(jiān)測。該方法由于未能在地理監(jiān)測過程高度以來參數(shù)精度，導(dǎo)致該方法在監(jiān)測時難以有效地監(jiān)測到地理的變形量。文獻[5]中提出基于GNSS/INS緊耦合的水陸地理三維一體化崩岸監(jiān)測方法。該方法在利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實施緊耦合處理的基礎(chǔ)上，通過時間匹配的方式分析數(shù)據(jù)誤差，再通過時間歸算完成地理監(jiān)測。該方法在進行數(shù)據(jù)匹配時，存在耗時問題，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測效果存在弊端。文獻[6]中提出礦區(qū)地表移動“空天地”一體化監(jiān)測方法。該方法基于采集的相關(guān)數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果建立空天地一體化監(jiān)測體系；并基于相關(guān)要求制定高精度、高效率的監(jiān)測準則；使用三維激光掃描技術(shù)運行監(jiān)測體系，實現(xiàn)對地理的監(jiān)測。該方法在制定監(jiān)測準則時，約束條件過多，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測應(yīng)用性能差。主要因為上述以回波重構(gòu)方法為基礎(chǔ)的地理測繪勘探在山地區(qū)域應(yīng)用，會出現(xiàn)光斑回波疊加，導(dǎo)致特征監(jiān)測效果差。文獻[7]提出背負式移動激光掃描系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖精度試驗研究，在大規(guī)模地圖上使用背負移動的激光掃描儀，以蘇州工業(yè)區(qū)的測繪GIS大廈為對象，對點云進行了預(yù)處理，提取特征點，并將特征點以MicroStation V8聯(lián)圖的方式繪出1：500的地圖。該方法在測繪時難以有效地監(jiān)測到地理的實時變化，導(dǎo)致測繪不精準。文獻[8]提出機載激光雷達輔助地形圖繪制的應(yīng)用實踐，利用航空攝影技術(shù)將激光雷達、慣性導(dǎo)航、高精度數(shù)字攝像機、數(shù)字照相機等資料收集，再進行高線的提取、修改和上報等工作，該方法在繪制中存在誤差，導(dǎo)致該方法的監(jiān)測效果不佳。

為解決上述地理監(jiān)測過程中存在的問題，本研究通過采集反射式激光雷達光斑數(shù)據(jù)，結(jié)合抗干擾模型，實現(xiàn)對山地地理測繪勘探區(qū)域的優(yōu)化監(jiān)測。所研究內(nèi)容的創(chuàng)新點是優(yōu)化設(shè)計反射式激光雷達在山地地理測繪勘探中的應(yīng)用過程，確定其相關(guān)參數(shù)。并通過分區(qū)對山地地理掃描，整合掃描結(jié)果，采集該山地地理特征的激光雷達回波數(shù)據(jù)。同時設(shè)計一種光斑回波波形分解模型，通過分解處理獲取地理特征，去除光斑回波疊加干擾。研究表明，本文方法進行地理變形監(jiān)測時效果較好。

1 反射式激光雷達山體地理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程設(shè)計

常規(guī)的激光雷達多維透射式系統(tǒng)光學(xué)接收裝置的厚度過大、透光率低，增加接收裝置的發(fā)射功率后，山地低空近距離的回波信號很強，容易造成接收系統(tǒng)飽和，甚至造成高靈敏度的探測器失效，且其主光學(xué)孔徑通常為中等孔徑，在實際應(yīng)用中由于制造材料、機械結(jié)構(gòu)和發(fā)射體積等因素的限制，使得中等孔徑的分布變得極為困難，不適合大范圍山地使用。故本文利用反射式激光雷達完成山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測，反射式激光雷達的應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 反射式激光雷達原路圖

假設(shè)β1表示副鏡放大率，β2表示第三鏡放大率，β3表示第四鏡放大率。不同鏡片的曲率半徑的約束條件如下：

(1)

物鏡鏡片間距應(yīng)當(dāng)滿足如下關(guān)系：

(2)

反射式激光雷達發(fā)射的激光照射到障礙物以后，通過障礙物的反射，反射光線會經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上，如果靶放在拋物面鏡的焦點處，入射光線會被阻擋一部分，從而僅使用拋物面鏡的一部分，達到讓光束離軸入射的目的，因此需要設(shè)置第三鏡離軸角、副鏡離軸量等。依據(jù)此原則在應(yīng)用過程中，設(shè)置第三鏡離軸角為73.866°，副鏡離軸量為12.5 mm，在空間頻率801 p/mm處，MTP值均大于0.4，可較好區(qū)分入射、反射信號。反射式激光雷達山體地理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程具體步驟為：

步驟一：用脈沖激光器把激光信號送到反射鏡面上，然后到達電機掃描系統(tǒng)，再通過鏡子從山體處反射回來。

步驟二：把從山體處的回聲信號再向副鏡、第三反射鏡和第四反射鏡進行反射，最終再向主反射鏡進行反射，包括山形的回聲信號被反射至信號通路。

步驟三：由檢測器接受并對3個信道的激光回波進行分析，再送至取樣回路，并將采集到的數(shù)據(jù)進行儲存。

2 方法的優(yōu)化過程設(shè)計

2.1 山地區(qū)域光斑數(shù)據(jù)采集

假設(shè)反射式激光雷達設(shè)備在山地地理特征勘探過程中，其掃描儀高度為G、掃描半徑為R、掃描角度為β，且掃描高度會隨著掃描半徑及掃描角度的增加而逐漸增大[9-10]，表述形式如下所示：

G=R×cotβ

(3)

式(3)中，余切函數(shù)標(biāo)記為cot的形式。采用反射式激光雷達對山地地理的地面進行投影計算時，激光雷達的豎直間距直接影響反射式激光雷達掃描結(jié)果，對此需對激光雷達的豎直間距進行確定[11-12]，表達式為：

szl=d×tanβ

(4)

式(4)中，激光雷達掃描的豎直間距為szl，山地地面豎直間距為d，正切函數(shù)標(biāo)為tan。

最后依據(jù)上述流程確定反射式激光雷達的相關(guān)參數(shù)，并通過分區(qū)對山地地理進行一一掃描，整合掃描結(jié)果建立該山地地理數(shù)據(jù)集，由此設(shè)計光斑回波波形分解模型。

2.2 光斑回波波形分解模型設(shè)計

由于山地地理環(huán)境較為復(fù)雜，可以使雷達反射波變得雜亂而沒有規(guī)律，使反射式激光雷達接收機接收不到目標(biāo)的有效信號，從而無法對目標(biāo)進行跟蹤和鎖定；發(fā)射機發(fā)射雷達波束，接收機接收從目標(biāo)處反射回來的反射式激光雷達波束，從而才能確定目標(biāo)的高度、速度、作標(biāo)、狀態(tài)等。因山地地理環(huán)境通常呈現(xiàn)中部高四周低的形態(tài)，會出現(xiàn)較為明顯的回波干擾，所以需要采用反射式激光雷達對目標(biāo)區(qū)域進行分類別掃描，并建立對應(yīng)的光斑回波波形分解模型，對反射式激光光斑進行針對性分解處理，提高對地理變形量的檢測效果，去除回波干擾。

1)區(qū)域類別1為山地平坦地理：

在山地平坦地區(qū)，反射式激光雷達回波脈沖波束寬度不會發(fā)生變化，所以反射回的回波波形形狀也處于不變的狀態(tài)[13-14]。設(shè)定山地目標(biāo)的散射角為各向同性散射，可將建立的回波分解模型轉(zhuǎn)換成高斯函數(shù)進行表述，如下式所示：

(5)

式(5)中，地理的采樣時刻標(biāo)記為x，目標(biāo)組分位置標(biāo)記為η，脈沖寬度標(biāo)記為ε，建立的回波分解模型高斯函數(shù)表示形式為g(x)。

2)區(qū)域類別2為復(fù)雜地理：

在山地的復(fù)雜地理中，反射式激光雷達的發(fā)射脈沖在接收時會出現(xiàn)振幅衰減或反射回角度不同的問題[15-16]，脈沖寬度也被相對擴寬，回波組分多樣后建立的回波分解模型如下式所示：

(6)

式(6)中，組分數(shù)量標(biāo)記為m、位置標(biāo)記為ηj，組分脈沖波形標(biāo)記為gj(t)。由此完成光斑回波波形分解模型構(gòu)建，根據(jù)該模型，實施山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪處理。

2.3 山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪

傳統(tǒng)的反射式激光雷達勘探未曾識別地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號里的非線性關(guān)系，導(dǎo)致去噪后的時間序列核心信息缺損。小波降噪屬于一類性能十分突出的非線性濾噪方法，它的本質(zhì)為經(jīng)過對山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列的分解，研究分析并獲取山地地質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)每部分中的“異常”成分并篩除屬于噪聲的成分，以此實現(xiàn)山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)去噪[17-18]。但是非線性系統(tǒng)的頻譜較寬，對山地地質(zhì)環(huán)境非線性時間序列濾噪時選取小波函數(shù)十分關(guān)鍵，必須準確劃分哪些屬于有效信號，哪些屬于噪聲信號。

假定g(x)屬于山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號的監(jiān)測序列，在山地地理測繪勘探中把山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號描述成差異頻率成分的線性數(shù)據(jù)，如式(7)所示：

g(x)=Li(x)+Oi(x)

(7)

式(7)中，Li(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號處于空間x的投影，Oi(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號處于空間x的映射。山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號小波分解式如下所示：

(8)

式(8)中，F(xiàn)表示環(huán)境的脆弱性數(shù)據(jù)，根據(jù)山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號的尺度函數(shù)，Ti表示與之對應(yīng)的低通濾波器，Vi+1表示山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號的i+1分辨率離散細節(jié)信號。在此基礎(chǔ)上，山地地質(zhì)環(huán)境置信度表示為：

(9)

式(9)中，G表示山地地質(zhì)環(huán)境置信濾波因子，Ui+1表示山地地質(zhì)環(huán)境置信離散因子，Vi+1T表示山地地質(zhì)環(huán)境置信監(jiān)測信號在i+1分辨率中的離散細節(jié)信號轉(zhuǎn)置[19]。

山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)重構(gòu)時，把和噪聲對應(yīng)的細節(jié)信號實行相關(guān)閾值處理，以此重構(gòu)數(shù)據(jù)實現(xiàn)去噪，其表達式如式(10)所示：

(10)

式(10)中，gI(x)屬于g(x)濾波后的平滑數(shù)據(jù)，也屬于去噪后的山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信號，LI(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境去噪信號處于空間x的投影，OI(x)表示山地地質(zhì)環(huán)境去噪信號處于空間x的映射。為了優(yōu)化去噪效果，小波重構(gòu)時將細節(jié)數(shù)據(jù)處理時必須掌握監(jiān)測序列的先驗信息，即為掌握噪聲的種類，獲取山地地理檢測特征，完成山地地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測序列的小波去噪，根據(jù)去噪結(jié)果，獲取山地地理檢測特征。

2.4 山地地理監(jiān)測特征獲取

2.4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在測量山地地理地貌前，需要結(jié)合去除回波干擾后的數(shù)據(jù)集，建立平面坐標(biāo)系，并實現(xiàn)山地的高程轉(zhuǎn)換，消除坐標(biāo)失真的干擾?；诜瓷涫郊す饫走_光斑數(shù)據(jù)建立山地地理平面坐標(biāo)系[20-21]，再通過工程測量結(jié)果建立山地實測坐標(biāo)系，其發(fā)射過程如圖2所示。

圖2 反射式激光雷達線路圖

結(jié)合圖2，將該平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為參數(shù)模型轉(zhuǎn)換，假設(shè)X0、Y0均表示坐標(biāo)平移參數(shù)，ɑ表示旋轉(zhuǎn)參數(shù)，δ表示變換尺度，坐標(biāo)內(nèi)任意點標(biāo)記為R，位置標(biāo)記為(X1，Y1)以及(X2，Y2)形式，二者關(guān)系如下式所示：

(X2，Y2)=(X0，Y0)+(1+δ)F(α)(X1，Y1)

(11)

式(11)中，坐標(biāo)變換尺度矩陣標(biāo)記為F(ɑ)，利用最小二乘擬合方法對其進行求解計算，過程如下式所示：

(12)

式(12)中，分塊編號標(biāo)記為i，擬合系數(shù)標(biāo)記為β(x)，基函數(shù)標(biāo)記為qi(x)，完備多項式標(biāo)記為e，數(shù)量標(biāo)記為k?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果，使用形函數(shù)對基函數(shù)進行優(yōu)化處理，從而取得最佳擬合函數(shù)，過程如下式所示：

(13)

式(13)中，n階基函數(shù)標(biāo)記為y，擬合函數(shù)標(biāo)記為g(x)，形函數(shù)標(biāo)記為θn(x)，擬合因子標(biāo)記為ωki。最后通過該擬合函數(shù)完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.4.2 山地高程轉(zhuǎn)換

設(shè)定反射式激光雷達高程值為h，以此計算山地地理高程值起算面值hqs，過程如下式所示：

hqs=h+C

(14)

式(14)中，坐標(biāo)系的任意高程差標(biāo)記為C。設(shè)定坐標(biāo)系的任意高程差與平面坐標(biāo)之間存在關(guān)系，使用平面擬合法對二者關(guān)系進行計算，過程如下式所示：

C=F(x，y)=ox+py+q

(15)

式(15)中，山地平面坐標(biāo)標(biāo)記為F(x，y)，坐標(biāo)參數(shù)標(biāo)記為o、p、q，坐標(biāo)方向標(biāo)記為x、y。最后基于上式計算結(jié)果獲取各項參數(shù)，將反射式激光雷達高程值轉(zhuǎn)換成水平面高程值。

2.4.3 生成山地等高線

由于采集的反射式激光雷達數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量較大，故可利用曲率采樣法避免數(shù)據(jù)冗余對監(jiān)測結(jié)果的影響，具體過程如下：

1)設(shè)置一個百分數(shù)，用最小二乘法求出面曲率。

2)將曲率計算結(jié)果排序，劃分為若干數(shù)據(jù)區(qū)域空間。

3)依據(jù)設(shè)定的百分比值獲取反射式激光雷達數(shù)據(jù)乘積值，完成反射式激光雷達數(shù)據(jù)的再次采集，提取山地等高線。

4)基于獲取的山地等高線，建立山地數(shù)字地理模型，完成山地地理測繪勘探區(qū)域的測量。

最后將測量結(jié)果與往年測量結(jié)果進行對比，實現(xiàn)山地地理的變形監(jiān)測。

3 應(yīng)用實驗與結(jié)果分析

為了驗證上述基于反射式激光雷達山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測方法的整體有效性，設(shè)計如下測試過程。

實驗以某地區(qū)為監(jiān)測對象，其位于東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°10′～29°11′之間，處于南昌市西郊30公里處，多為剝蝕低山丘陵，海拔一般標(biāo)高為300～500 m。研究地區(qū)地理范圍如圖3所示。

圖3 研究地區(qū)地理范圍圖

為避免實驗結(jié)果過于單一，實驗過程中，分別采用反射式激光雷達數(shù)據(jù)采集在山地地理監(jiān)測中的應(yīng)用(本文方法)、基于GNSS/INS緊耦合的水陸地三維一體化崩岸監(jiān)測技術(shù)(文獻[5]方法)、礦區(qū)地表移動“空天地”一體化監(jiān)測技術(shù)研究(文獻[6]方法)進行測試。

為使所獲取的點云在統(tǒng)一坐標(biāo)系下進行匹配和拼接，并在測區(qū)內(nèi)設(shè)置有分布于測區(qū)內(nèi)、各點之間相對穩(wěn)定的點。為獲得高精度的測量資料，采用與反射式激光雷達相對應(yīng)的目標(biāo)作為控制點，通過在選定的控制點上設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)，由于受測地形的變化，需要在地面上安裝反射式激光雷達，每一次掃描都要對同一目標(biāo)進行掃描。實驗數(shù)據(jù)處理軟件為ENVI LiDAR，參數(shù)如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，展開具體的測試，過程如下：

1)首先選定較為平坦山地地理測繪勘探區(qū)域，設(shè)定反射式激光雷達數(shù)據(jù)密度為1 643 pts/m2，平均點間距3.4 cm。分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

2)其次選取坡度較大但不突出的山地地理測繪勘探區(qū)域作為測試環(huán)境，設(shè)定該環(huán)境反射式激光雷達數(shù)據(jù)密度574 pts/m2，數(shù)據(jù)平均點間距為4.6 cm。同樣分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

3)然后選取地勢復(fù)雜的山地地理測繪勘探區(qū)域作為測試環(huán)境，設(shè)定該環(huán)境反射式激光雷達數(shù)據(jù)密度35 pts/m2，數(shù)據(jù)平均點間距為14 cm，分別利用3種方法對研究地區(qū)的地理變形量展開監(jiān)測。

4)之后在完成上述對于不同地勢的山地地理測繪勘探后，檢驗3種方法下獲取到的山地地理數(shù)據(jù)的信噪比指標(biāo)。

5)最后在確定信噪比基礎(chǔ)上，對3種方法采集山地地理區(qū)域圖時存在的空洞情況進行分析。

直接應(yīng)用反射式激光雷達儀器獲取檢測對象的地理勘探區(qū)域掃描圖，運用3種方法在實驗中得到的反射式激光雷達地理勘探區(qū)域掃描圖，具體如圖4所示。

圖4 反射式激光雷達地理掃描圖

由圖4可以看出，對比文獻[5]方法和文獻[6]方法，本文方法得到的反射式激光雷達地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于山地地理的勘測。

針對平坦山地地理測繪勘探區(qū)域，選定500個數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)，其中1、3、5組含噪聲數(shù)據(jù)，2、4組為無噪聲數(shù)據(jù)，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監(jiān)測時，對3種監(jiān)測方法的監(jiān)測到的地理變形量進行測試，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同監(jiān)測方法地理變形量監(jiān)測結(jié)果

分析圖5可知，組別的不同測試出的監(jiān)測效果也不相同。由于組2、組4中不存在噪聲數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測結(jié)果與實際地理變形量之間存在的差距較小，而組1、組3和組5中存在噪聲數(shù)據(jù)，所以監(jiān)測效果要較差。實際山地變形在0.505 m處上下波動，本文方法在進行地理監(jiān)測前，對地理的特征進行了提取，所以在測試過程中，即便數(shù)據(jù)組別中存在大量噪聲數(shù)據(jù)，地理變形量的監(jiān)測結(jié)果依舊與實際地理變形結(jié)果相接近。而文獻[5]方法與文獻[6]方法測試出地理變形量與實際地理變形量之間存在較大誤差。由此可知，本文方法在進行地理變形監(jiān)測時的監(jiān)測效果好。

針對坡度較大且光斑數(shù)據(jù)密度較大的山地區(qū)域，采集500個數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監(jiān)測時，測試該環(huán)境下的地理監(jiān)測效果，結(jié)果如圖6所示。

圖6 大坡度環(huán)境監(jiān)測效果測試結(jié)果

分析圖6可知，該環(huán)境山地變形量監(jiān)測效果與平坦無坡度環(huán)境的監(jiān)測效果之間存在些許差距。本文方法在進行山地變形量監(jiān)測時監(jiān)測結(jié)果與實際山地變形量監(jiān)測結(jié)果相差較小，在0.15 m處上下波動，監(jiān)測誤差可忽略不計。文獻[5]方法監(jiān)測結(jié)果低于本文所提方法檢測效果，高于文獻[6]方法監(jiān)測結(jié)果，文獻[6]方法監(jiān)測結(jié)果較差，與實際山地變形量之間存在明顯差距。由此可知，本文方法在山地坡度較大時，監(jiān)測效果較理想。

針對地勢復(fù)雜且光斑數(shù)據(jù)密度較小的山地區(qū)域，同樣采集500個數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法進行地理監(jiān)測時，測試該環(huán)境下的地理監(jiān)測效果，結(jié)果如圖7所示。

圖7 密度稀疏下3種監(jiān)測方法的監(jiān)測變形量測試結(jié)果

分析圖7可知，本文方法山地變形量的監(jiān)測結(jié)果與實際山地變形量結(jié)果相接近，在0.15 m處上下波動，文獻[5]方法與文獻[6]方法山地變形監(jiān)測結(jié)果與實際山地變形結(jié)果之間存在較大差距。由于地勢復(fù)雜，所以3種方法在監(jiān)測期間監(jiān)測效果不如地勢平坦的區(qū)域，致使3種方法的監(jiān)測效果低于地勢平坦區(qū)域的監(jiān)測效果。整體來看，本文方法在進行山地變形量監(jiān)測時的監(jiān)測效果要優(yōu)于文獻[5]方法與文獻[6]方法的監(jiān)測效果。

針對選定的山地區(qū)域，采集500個未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)組成5組數(shù)據(jù)組，以圖4中本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法下的反射式激光雷達地理掃描圖為基礎(chǔ)，對不同數(shù)據(jù)組的信噪比進行分析，具體的分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 3種監(jiān)測方法的信噪比分析結(jié)果

分析圖8可知，本文方法下對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明本文方法下的反射式激光雷達掃描圖的圖像質(zhì)量較為優(yōu)良，存在噪聲較少。文獻[5]方法與文獻[6]方法對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比之間存在較大差距，相比于本文方法信噪比較低，最大值分別為50 dB、40 dB。最小值分別為32 dB、12 dB，說明文獻[5]方法與文獻[6]方法下的反射式激光雷達掃描圖的圖像質(zhì)量較差，存在一定噪聲。整體來看，本文方法對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的質(zhì)量要優(yōu)于文獻[5]方法與文獻[6]方法的采集質(zhì)量。

在進行山地地理測繪勘探時，由于受外部環(huán)境的影響，往往會出現(xiàn)一些無法探測到的區(qū)域，也就是空洞。由于空洞的存在，不但不能對地形進行精確、完整的建模，而且對模型的后續(xù)處理也有一定的影響。因此，以本文采集對象的局部地形為例，采用本文方法、文獻[5]方法以及文獻[6]方法對不同數(shù)據(jù)組的空洞情況進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方法采集空洞對比圖

由圖9可知看出，采用文獻[5]方法與文獻[6]方法對山地地理進行勘測時，其獲取的地形圖存在較多空洞，后期對整體地形進行修復(fù)時，會出現(xiàn)與實際地形圖誤差較大的問題。而采用本文方法時，其存在空洞較小，與原地形誤差較小，具有一定的優(yōu)勢。

基于上述測試結(jié)果可證明，本文方法進行山地地理監(jiān)測時，該方法具備良好的監(jiān)測效果，證明該監(jiān)測方法的監(jiān)測性能高。

4 結(jié)束語

針對山地受到環(huán)境影響導(dǎo)致監(jiān)測效果差的問題，本文采用反射式激光雷達對山地地理測繪勘探區(qū)域監(jiān)測進行優(yōu)化研究。該方法創(chuàng)新之處是優(yōu)化設(shè)計反射式激光雷達在山地地理測繪勘探中的應(yīng)用過程，并通過分區(qū)對山地地理掃描，采集該山地地理特征的激光雷達回波數(shù)據(jù)。通過提取相關(guān)山地地理特征建立山地地理二維坐標(biāo)系，生成山地數(shù)字地理模型，完成山地地理測繪勘探區(qū)域的測量，最后通過測量結(jié)果實現(xiàn)對山地地理的變形監(jiān)測。通過研究得到如下結(jié)論：

1)本文方法得到的反射式激光雷達地理掃描圖更為清晰，能夠更好地采集山地地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于山地地理的勘測。

2)在進行地理監(jiān)測前，本文方法對地理的特征進行了提取，所以在測試過程中，地理變形量的監(jiān)測結(jié)果與實際地理變形結(jié)果相接近，進行地理變形監(jiān)測時的監(jiān)測效果好。

3)本文方法在進行山地變形量監(jiān)測時監(jiān)測結(jié)果與實際山地變形量監(jiān)測結(jié)果相差較小，在0.15 m處上下波動，監(jiān)測誤差可忽略不計，在山地坡度較大時，監(jiān)測效果較理想。

4)本文方法下對于山地地理勘測的數(shù)據(jù)信息采集的信噪比較高，最大值為59 dB，最小值為49 dB，說明反射式激光雷達掃描圖的圖像質(zhì)量較為優(yōu)良，存在噪聲較少。

5)采用本文方法時存在空洞較小，具有一定的優(yōu)勢。

該方法由于在數(shù)據(jù)采集時還存在一定問題，今后會針對該項缺陷繼續(xù)完善該監(jiān)測方法。未來的研究內(nèi)容如下所示：

1)下一步可以采用LIDAR技術(shù)對山地地理環(huán)境進行多角度的激光雷達回波掃描，能夠迅速獲得高密度、高精度的立體點云點坐標(biāo)，并在軟件的支持下建立了大量的立體模型，實現(xiàn)了對反射式激光雷達回波特征的優(yōu)化監(jiān)測。

2)未來研究工作可以采用反射式激光雷達技術(shù)，對山地地理環(huán)境進行全面的數(shù)據(jù)收集，并建立了一個立體的模型，更好地體現(xiàn)出其形態(tài)。讓整個回波特征優(yōu)化監(jiān)測的結(jié)構(gòu)更加清晰。

3)反射式激光雷達回波特征優(yōu)化監(jiān)測需要更加能夠迅速、有效地獲得山地地理精確信息，保證勘探工程的質(zhì)量，提高勘探工程的效率，在此方面未來可以深入研究。