遥感图像三维可视化在低空磁测飞行辅助设计中的应用

任雨，朱谷昌，，张建国，张远飞，孙莎莎

(1.中南大学，长沙 410083；2.有色地调中心，北京 100012)

1 引 言

随着遥感技术、GIS技术和计算机图形显示技术的发展，三维可视化技术已初步应用在地貌研究、地质勘探、矿山监测、地质灾害防治等地学领域[1-4]。动力滑翔机航磁勘查系统是将动力滑翔机与国内研制的磁测系统相结合而研发的一种低空磁测新技术，该系统已成功应用在高原、沙丘、森林、湖泊等磁法极难进行的地区。将三维可视化技术与动力滑翔机航磁勘查系统相结合，为飞行路线的设计做辅助，对于低空航磁勘查工作的顺利开展具有很大的帮助。

多宝山铜矿区位于黑龙江省黑河市嫩江县北部，属大兴安岭成矿带北段沼泽坡积物覆盖地区，地形以低山丘陵为主，大部分土地属荒地和丛林。该地区属森林沼泽景观区，气候及环境较为复杂，在该地区开展低空磁测工作对于飞机起降场地的选择、飞行环境、飞行时间都有更高的要求。本文主要研究内容为建立多宝山地区三维遥感影像模型，根据测线设计航线并制作模拟飞行的三维动画，为利用动力滑翔机航磁勘查系统在森林沼泽景观区进行大比例尺低空航磁勘查提供决策支持。

2 技术路线

本次研究采用的原始数据包括Landsat-7 ETM+遥感影像数据和国家地理信息中心发布的1∶250000数字地形图，遥感图像处理使用的软件为PCI 8.2，生成三维遥感模型及实现模拟飞行使用的软件是ArcGIS 10。研究过程主要分为5部分：①利用遥感图像处理软件将多波段遥感数据融合，使融合后的遥感图像能够清楚的反映地物分布情况；②在GIS平台上利用数字等高线生成DEM模型，直观展示工作区地形地貌；③将遥感影像与DEM模型叠加到ArcScene中，生成三维遥感影像模型；④在三维模型中添加公里格网和工作区范围，选取不同视角导出多幅工作区三维遥感影像图，为低空磁测工作部署提供参考；⑤将测线数据转为矢量文件叠加到模型中，设计航线实现模拟飞行，生成三维动画并以视频格式导出。

图1 总体流程图

3 影像处理

3.1 遥感图像预处理

遥感图像预处理的过程包括几何精校正、配准、图像镶嵌与裁剪、去云及阴影处理等过程。本次研究选区的遥感数据已经过大气校正、辐射校正等前期的影像预处理工作。在本次工作中利用1∶5万地形图，进行了几何校正，并根据工作区范围，完成影像裁剪。

3.2 遥感图像增强处理

3.2.1 波段融合

IHS变换融合法作为一种最常用的波段融合方法，能够显著提高多光谱影像空间分辨率和清晰度，极大地丰富影像的地面信息。本次研究利用IHS变换融合法实现了7、5、4多光谱波段与第8波段(全色波段)融合。

3.2.2 反差增强

反差增强是指增大对比度的方法，是遥感图像增强处理的主要手段。反差增强的目的是使图像色彩更丰富，地物特征更明显，对比度更高。通过对线性拉伸、高斯拉伸、平方根拉伸、直方图匹配、直方图均衡化等几种拉伸方法得出的结果做对比，发现直方图均衡化效果较好，适应于本次研究。

图2 处理后的遥感影像

4 DEM数据生成

数字高程模型(DEM)是一组表示地面高程的有序数值阵列，主要的表示模型包括：规则格网模型、不规则三角网模型(TIN)、等高线模型。不规则三角网是用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形地面。TIN既是矢量结构又有栅格的空间铺盖特征，能很好地描述和维护空间关系。从表达地形信息的角度来看，TIN模型的优点在于能以不同层次的分辨率来描述地形表面。与规则格网模型相比，TIN模型在某一特定分辨率能用更少的空间和时间更精确的表达复杂的表面。特别是当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，TIN模型能更好地顾及这些特征从而能更精确地表达地表形态。[4-5]

生成不规则三角网DEM模型的方法为：在ArcGIS软件的3D Analyst扩展模块中，使用数字等高线创建TIN模型，并将TIN模型经栅格转换生成DEM栅格数据，栅格格式的DEM可实现与图像文件叠合。利用ArcMap中的裁剪工具，选择shape格式的工作区边界框文件作为掩膜，即可将DEM数据按工作区范围裁剪。

5 三维可视化的实现

将经过处理的遥感影像与DEM数据在ArcScene平台上叠加，即可生成三维遥感影像模型。如图5所示，三维遥感影像模型将工作区植被、水系、土壤覆盖情况和地形起伏状况清晰的反应出来。同时，由于添加了公里格网和工作区范围，方便了相关人员对磁测飞行工作进行指导和部署。为方便野外工作使用，可选取不同的视角，导出多幅工作区三维遥感影像图。在制作三维遥感影像模型的过程中，需要注意几点问题：①在ArcScene中设置遥感影像属性过程中，如果影像的栅格分辨率与DEM分辨率差别过大，会出现失真的效果；②通过调大垂直夸大因子可增强三维显示效果，突出山尖和沟谷的起伏情况，满足宏观和微观的不同显示需要；③测区范围和工作区范围以矢量线文件导入，基本高度应与DEM一致。

图4 三维可视化遥感影像模型

6 模拟飞行

6.1 飞行标准

动力滑翔机航磁勘查系统是将高精度氦光泵磁力仪、GPS导航定位系统以及数据采集、记录、处理系统等安装在动力滑翔机上，在地面日变改正站和空-地联系通信设备配合下，在测量地区上空按照预先设定的测线和高度对地下岩矿体的磁性响应进行测量。多宝山铜矿区地形较平缓，按地形条件分级在三级以下在该地区动力滑翔机设计飞行高度为50m～70m，采用往返平飞方式，飞行速度80km/h～100km/h。每条测线实际飞行的航迹偏离预定测线位置的距离称为偏航距。按照航磁规范要求，大于1∶25000航磁测量，最大偏航距小于1/2主测线距。根据动力滑翔机的特点，本次项目规定三级以下地形，平均偏航距小于1/10测线距，三级以上地形，平均偏航距小于1/5测线距，最大偏航距<33m(1/3测线距)。

6.2 设计航线与三维动画制作

ArcScene可通过导入路径的方法生成模拟飞行的三维动画，具体步骤为：①启用ArcScene中的3D编辑器，根据测线起始点的三维坐标绘制飞行路径；②在基本高度属性框中根据飞行高度(50m～70m)设置飞行路径偏移量，并按平均偏航距生成缓冲区；③打开ArcScene中的动画制作模块，在飞行路径亮化显示的状态下选择根据路径生成动画，飞行速度和飞行方式等动画参数按项目设计标准设置。生成的三维动画视频可单独保存为asa或AVI文件。

图5 模拟飞行截图

7 应用效果

低空磁测飞行包括测线飞行测量、磁补偿飞行测量、质量检查线飞行测量和切割线测量，每种飞行方式均有其各自的飞行方法与飞行步骤。每架次飞行测量前，现场技术负责人都会下达任务给飞行员，包括地形特征、飞行高度、飞行方式、飞行位置示意图，并将引航资料输入飞机导航系统。基于三维遥感影像平台，技术负责人员可迅速发现山尖、沟谷、沼泽覆盖、森林茂密等飞行难度较大地区，根据三维动画显示情况调整预设飞行路径。本次研究共为203条测线飞行、一次补偿飞行和一次切割线飞行设计路线生成三维动画。通过与以往工作方式对比发现，以三维遥感技术为辅助进行低空磁测飞行前期工作设计可以提高效率、减少人力物力的浪费；并且，三维遥感模型的制作成本低，实用性较好，易于在其他工作区推广。

8 结束语

(1)本次研究选取的1∶250000数字地形图等高距为50m，密度较小，生成的DEM模型分辨率偏低，在工作区地形地貌细节显示方面精度欠佳。如能结合高分辨率遥感影像(如QuickBird)和等高距10m以内的数字地形图生成高精度三维模型，可以达到更好的显示效果，模拟飞行动画也会更有实际指导意义。但是由于本次研究工作缺乏1∶5万地形图数据及高分遥感影像，所以最终成果未能达到最好的显示效果。

(2)在缺少前期研究资料的工作区，遥感技术是获取未知区域地物信息的唯一手段。充分利用遥感数据，使用人机互动的遥感地质解译方式，了解工作区地质构造和地表覆盖情况，对于磁测飞行工作计划的制定具有很大帮助。

(3)本文仅是对三维遥感技术在低空磁测飞行辅助设计中的初步应用做探讨，该方法尚处于研究阶段。下步研究拟利用ArcEngine二次开发平台开发低空磁测飞行辅助设计专业软件，在三维遥感模型平台中实现直接导入Excel格式的测线数据即可生成三维动画，提高工作效率，并能针对风力的大小、地形的不同提供更多飞行方式的选择，从而更好的为生产服务。

参考文献：

[1] 杨武年，廖崇高，濮国梁，等.数字区调新技术新方法——遥感图像地质解译三维可视化及影像动态分析[J].地质通报，2003，22(1)：60-64.

[2] 褚进海，彭鹏，李郑，等.基于GIS技术的三维矿山遥感可视化方法研究[J].安徽地质，2009，19(2)：115-118.

[3] 刘凤梅，曾敏.稀土矿山地质环境调查中的三维遥感技术研究[J].国土资源遥感，2011(4)：136-139.

[4] 张会平，杨农，刘少峰，等.数字高程模型(DEM)在构造地貌研究中的应用新进展[J].地质通报，2006，25(6)：660-669.

[5] 范家明，朱建青，张立华.数字高程模型(DEM)在数字矿山中的应用[J].西部探矿工程，2007(1)：80-82.

[6] 李远华，姜琦刚，张秉仁.利用等高线数据制作大规模3D遥感影像[J].国土资源遥感，2005(64)：76-79.