基于地表拓扑特征的无控制点矿山变形监测与预警

Nowadays, it still need to set control points when the LiDAR point cloud data is used to monitor 3D deformation of the surface accurately, which severely limits the application of the LiDAR data, and affects the timeliness of disaster monitoring. In order to solve this problem, the related algorithms, models and key technologies of automatic deformation monitoring of large area mines without control points are discussed in this project according to the similarity of the terrain topological features which are extracted from the different periods data of the same region. This projects includes the high-precision extraction of the terrain topological features (feature point, feature line, Morse complex) based on the Morse theory, feature matching and tracking of the terrain topological features, the establishment and realization of the disaster monitoring and early warning model of mine and so on. Moreover, an experimental system is developed with the LiDAR data of the same measured zone for the specimen after and before deformation so as to provide algorithms and models, which support for the mine deformation analysis and pre-warning automatically on a large area.

目前，利用LiDAR点云进行精确地表三维变形计算时，仍然需要设定控制点，这严重限制了LiDAR数据的推广应用，并影响了灾变监测的时效性。针对这一问题，本项目利用同一区域不同时相数据提取的地表拓扑特征所具有的相似性特征，研究大面积矿山无控制点自动化变形监测的相关算法、模型与关键技术。主要内容包括：基于Morse理论的矿山地表拓扑特征（特征点、特征线、Morse复形）高精度提取、地表拓扑特征的匹配与追踪，以及矿山灾变预警模型的建立与实现等。并利用变形前后矿山地表数据，进行相应的系统开发和实验验证，以期为矿山大面积自动化变形分析与灾变预警提供算法与模型支撑。

激光雷达（LiDAR）已经成为获取模型表面数据的主要手段，被广泛用于模型表达、模型重建、变形监测等方面，但LiDAR点云数据的大数据性质为其表达与应用带来了巨大的挑战。本课题尝试将Morse理论用于地表、三维建筑物等模型的拓扑特征精确提取、简化与多层次表达，完成模型表面点云数据的几何表达向拓扑表达的转换，实现点云数据的压缩及其在地表变形监测、三维模型重建等方面的应用。项目主要探索了Morse理论在二维地形场上的表达及其在变形监测方面的应用，针对点云密度较大、地形复杂等原因导致的地表拓扑特征“过剖分”问题，提出了新的地表拓扑特征重要性度量方法，实现了基于Morse理论的大尺度与小尺度分布点云地表拓扑特征的精确提取、简化与多层次表达；阐明了基于Morse理论提取的大尺度地表点云拓扑特征匹配率较高、易于实现粗匹配，小尺度地表点云拓扑特征匹配率低、难以实现粗匹配的问题；基于提出的特征匹配算法，实现了模拟地表变形点云数据无控制点变形计算。扩展了Morse理论在地学领域的应用范围，探索了将基于二维标量场的Morse理论用于三维模型拓扑特征的提取、简化与多层次表达方法；揭示了以曲率、法向量变化量等为度量指标的三维点云模型不具有基于某一参考面的对偶性的性质，针对这一性质，建立了一种单复形拓扑模型提取与简化算法，该算法避免了大量无意义特征的提取，显著提高了时间效率和数据压缩率，有效改善了现有提取算法的特征线断裂不完整问题。本项目在基于Morse理论地表拓扑特征表达与应用方面的研究成果，将为地表点云数据的有效表达提供数据结构与数据模型支撑，为地表变形分析提供一种全新的思路和解决方法，同时促进Morse理论在三维点云建筑物模型等地学领域的研究进展。