地震災(zāi)區(qū)中地面三維激光掃描測繪技術(shù)的應(yīng)用方法分析

汪燕麟，殷義程，施 昆

(1．云南省測繪工程院，云南 昆明650033;2．昆明理工大學，云南 昆明650033)

一、引 言

近年來，云南地質(zhì)自然災(zāi)害頻發(fā)，如2007年6月3日 普洱市6．4級地震、2009年6月30日 姚安縣6．0級地震、2011年盈江縣5．8級地震、2014年8月3日魯?shù)榭h6．5級地震等。云南山高谷深，屬于滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，每次震后都有次生災(zāi)害發(fā)生，造成了人員傷亡和財產(chǎn)損失。國內(nèi)通常是在震后應(yīng)用三維激光掃描測量技術(shù)服務(wù)于災(zāi)區(qū)遺址恢復重建、變化監(jiān)測等工作。但是在災(zāi)害發(fā)生后，如何在第一時間獲取數(shù)據(jù)，開展測繪應(yīng)急保障從而快速指導展開抗震救災(zāi)工作是首要任務(wù)。本文以三維激光掃描技術(shù)在云南魯?shù)椤?．03”地震災(zāi)區(qū)中應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用為例，簡述了如何將該技術(shù)在震后第一時間服務(wù)于災(zāi)區(qū)，對災(zāi)區(qū)大型滑坡區(qū)域進行三維重建，精確測量其面積、體積等數(shù)據(jù)，并對其過程處理要點和方法進行介紹分析。

二、掃描測量數(shù)據(jù)采集

1．儀器簡介

本次魯?shù)榧t石巖堰塞湖滑坡體測量作業(yè)采用奧地利生產(chǎn)的Riegl VZ-1000三維激光掃描儀(如圖1所示)，此設(shè)備屬于固定式激光掃描系統(tǒng)，外形類似于全站儀，由1個激光掃描儀集成1個外置的數(shù)碼相機和配套軟件控制系統(tǒng)。該設(shè)備主要技術(shù)指標:測距范圍:1400 m，一級安全激光;激光發(fā)射頻率:300 000點/s;掃描精度:5 mm(100 m距離處，一次單點掃描);掃描角度范圍:垂直掃描(線掃描)100°(+60°，－40°)，水平掃描(面掃描)0°～360°。

圖1 Riegl VZ-1000

2．外業(yè)數(shù)據(jù)掃描

通過車載、乘坐沖鋒舟、步行等方式到達震中區(qū)域紅石巖堰塞湖的主體位置之后，針對測量目標任務(wù)和要掃描的滑坡體立面，結(jié)合實際，選擇合理的控制點確定掃描的站數(shù)和位置。選點時需注意:第一，要確保兩點之間盡可能通視，有一定的公共區(qū)域;第二，選擇地理位置較高、視野廣闊的點，這樣獲取的數(shù)據(jù)也就更多。本次重點選擇在堰塞體主體等地方設(shè)置7個站點，以確保沒有掃描盲區(qū)。在選定的觀測點上架設(shè)好儀器，量取并記錄儀器高，打開內(nèi)置GPS實時定位，連接筆記本電腦操控掃描;設(shè)置好儀器工作模式，以垂直方向最大60°、水平360°進行全景掃描，水平方向點與點間隔設(shè)為5 mm，掃描時間為每站6～17 min，點云分辨率最遠1495 m處為60 cm且排列整齊，滿足任何地形測量要求。待每站掃描結(jié)束后，利用GPS RTK獲取每一個控制點的絕對坐標值。儀器外置的全畫幅單反攝影測量相機可同步360°拍攝7張彩色照片，并能在儀器配套RISCAN PRO軟件中將彩色照片的信息校準后賦予點云，點云數(shù)據(jù)即可將真實的環(huán)境模擬出來，如圖2所示。

圖2 彩色激光點云數(shù)據(jù)

三、數(shù)據(jù)處理

要對滑坡體地形進行分析研究，需利用掃描儀匹配RISCAN PRO軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。將三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進行站點融合、測站平差、點云賦色、刪除雜點數(shù)據(jù)、矢量化處理、建立平面、刪除冗余點數(shù)據(jù)、建立三角網(wǎng)模型等步驟得到三維模型。其中刪除雜點數(shù)據(jù)會將樹木、房屋等地物去除，顯示出滑坡體的真實地形狀態(tài)，并可用該數(shù)據(jù)作后續(xù)分析研究。

1．數(shù)據(jù)拼接

本次作業(yè)總共設(shè)置7個站點，每站掃描平均花費時間14 min，獲取點云總數(shù)超過1．3億個，完全滿足觀測需要。通過點云后處理軟件，同步實現(xiàn)了7個站點云數(shù)據(jù)的全球坐標系轉(zhuǎn)換拼接，快速簡便且精度可靠。用軟件特有的多站點調(diào)整功能，實現(xiàn)站與站之間的精細配準，拼接精度為4 mm，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)拼接

2．過濾噪點

完成點云的拼接工作后，便需對拼接后的點云數(shù)據(jù)進行噪聲點剔除。由于掃描儀在復雜環(huán)境中使用，尤其現(xiàn)場工作時，受工程機械的運動，樹木、建筑物遮擋，人員的走動，掃描目標本身反射特性的不均勻等因素影響，將會造成掃描獲取的點云數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性和噪聲點，導致點云含有粗差，只有把這些錯誤的點云剔除后，才可以繼續(xù)進行其他的操作。在紅石巖堰塞體現(xiàn)場掃描中，因為有部隊工程機械正在挖掘排洪溝渠，所以必須去除這些噪聲數(shù)據(jù)。點云的去噪是一個重要的過程，掃描過程可計算點云數(shù)據(jù)的平均距離，得到一個中值，再分別估算數(shù)據(jù)中單個點與中值的偏差來決定是否留用。

3．剔除植被

使用獨特多回波功能，激光可以更多地穿透植被，獲取更多的地面點數(shù)據(jù)，處理軟件對多回波數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)一鍵過濾植被的功能，使得內(nèi)業(yè)處理更加簡單高效，如圖4所示。

圖4

4．滑坡區(qū)三維建模

在需要建立模型的點云數(shù)據(jù)下面建立以似大地面為參考面的平面，生成三角網(wǎng)，并作為最初的點云表面。生成模擬格網(wǎng)后，還需要對這個模擬格網(wǎng)作進一步的處理，不斷地刪除構(gòu)建的多余四面體及不屬于實體表面部分的格網(wǎng)，刪除不相容的三角形，貼圖紋理網(wǎng)格，照片與網(wǎng)格結(jié)合，生成逼真的現(xiàn)場3D模型圖(如圖5所示)。

圖5 滑坡體三維模型

5．滑坡體測量

(1)高度量測

在測量一個物體尺寸信息的時候，一般主要采用皮尺、測距儀等野外實測，其誤差較大，并且對于不具備觀測條件的大型滑坡體，傳統(tǒng)測量更是難以展開。點云數(shù)據(jù)是實物的三維真實展示，在其中不僅能克服無法實測的難題，并且還能快速、準確地進行點到點、點到面、面到面的長、寬等尺寸的精確量測。通過量測，堰塞湖壩體高度121 m(水面以上高度54 m)，水位較震前上漲了63 m。

(2)體積量測

一般常見的計算土石方量的方法有方格網(wǎng)法、直接測量法、平均高程法、斷面法等。對于大型滑坡體有時只能進行簡單的目測估算，其誤差較大。運用RISCAN PRO數(shù)據(jù)處理軟件進行滑坡體積測量，首先要確定測量區(qū)域范圍。在滑坡體積測量中只有通過比較兩次或多次掃描數(shù)據(jù)，從而分析和確定滑坡區(qū)域并對滑坡區(qū)域進行檢測，確定滑坡范圍。在此次應(yīng)用中，和震前1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)進行融合比對，以前期未滑坡模型為基準對象，以后期滑坡模型為參考對象。在對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理后，前后兩期滑坡體模型疊加，在其數(shù)據(jù)下面建立一個以前期水位淹沒線為基礎(chǔ)的公共投影平面，可以確定滑坡區(qū)域范圍(如圖6、圖7所示)。通過RISCAN PRO軟件自帶的體積統(tǒng)計模塊對要計算的點云進行土方量自動量算，一般而言對于大范圍地質(zhì)體測量，建議柵格值設(shè)置為0．5 m，此時效果最理想，得出滑坡體面積為115．6萬m2，體積超過1250萬m3。

圖6 堰塞湖地震前1∶10 000 DEM模型

圖7 滑坡區(qū)域范圍

在數(shù)據(jù)采集過程中，結(jié)合掃描儀上的GPS定位系統(tǒng)，對特征點(如房屋拐點、道路岔路口等)進行定位測量，通過基準點進行大地坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)前后兩個DEM模型的坐標統(tǒng)一?？刂泣c共5個，坐標點轉(zhuǎn)換精度分析見表1。

表1 控制坐標轉(zhuǎn)換精度 m

由表1中可以看出，x、y、z坐標誤差最大值為0．13 m，經(jīng)分析產(chǎn)生原因主要包括以下4個方面:

1)點云采樣間距誤差和測量控制系統(tǒng)本身誤差。

2)多幅點云數(shù)據(jù)拼接誤差，掃描儀本身不設(shè)置標靶。

3)坐標控制點在點云數(shù)據(jù)中識別誤差，與操作人員選擇相關(guān)。

4)原有控制質(zhì)量誤差，因原有1∶10 000 DEM是航測制作，數(shù)據(jù)測量方法不一致，精度要求不一致。

6．二維圖制作

通過軟件色差分析模塊，可以從圖中看出滑坡體的滑坡情況(如圖8所示)，此外，成圖軟件還可制作各個滑坡地區(qū)的平面圖、截面圖、立面圖等二維圖形(如圖9所示)，從不同角度顯示滑坡的當前狀態(tài)，給其他部門提供了直觀可靠的圖形數(shù)據(jù)，在分析研究時不僅能夠從整體把握滑坡的大致趨勢，還能夠從細節(jié)入手，對具體問題進行具體分析。

圖8 滑坡區(qū)域變化分布圖

圖9 滑坡體中心截面圖

四、成果分析

經(jīng)過在魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)堰塞湖滑坡體激光掃描測量作業(yè)，得到了準確翔實的高精度點云數(shù)據(jù)，逼真地還原了其立體形狀，達到非常好的效果。在計算滑坡土方量時，雖然用的是地震前航測1∶10 000 DEM作模型比對，因測量方式不一致，精度有限，但是地震屬于突發(fā)自然災(zāi)害，在這種情況下，精度測量不是第一位的。第一位的是快速獲取災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，協(xié)助現(xiàn)場救援工作。采用三維激光掃描測量來快速測量滑坡體并建立三維模型來獲取災(zāi)情數(shù)據(jù)，可以滿足任務(wù)要求。

五、結(jié) 論

通過這次在抗震救災(zāi)中的實例應(yīng)用可以看出，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害工程中是可行的，結(jié)論如下:

1)三維激光掃描技術(shù)不僅具有快捷、方便、準確、動態(tài)、實時、全數(shù)字化、高精度、測量方式靈活、非接觸測量等特點，還可利用掃描采集的數(shù)據(jù)對地質(zhì)災(zāi)害進行研究，為滑坡災(zāi)害的防護提供寶貴的研究資料。

2)地面三維激光掃描技術(shù)的測量方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)的測量手段，其數(shù)據(jù)處理也完全不同于已有的理論方法，獲取數(shù)據(jù)的特點和方式彌補了傳統(tǒng)測量方法的弊端。

3)三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出來，特別是對于測繪領(lǐng)域來說，隨著該技術(shù)的不斷完善和發(fā)展、三維信息需求的增加，以及三維空間技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的深度融合，作為新的空間數(shù)據(jù)采集手段，相信該技術(shù)將會成為一種在測繪領(lǐng)域普遍應(yīng)用的新技術(shù)手段。

［1］ 宋宏．地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］．測繪技術(shù)裝備，2008，10(2):40-43．

［2］ 徐進軍，王海城，羅喻真，等．基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理［J］．巖土力學，2010，31(7):2189-2191．

［3］ 黃姍，薛勇，蔣濤．三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)滑坡中的應(yīng)用［J］．測繪通報，2012(1):100-101．

［4］ 羅德安，朱光，陸立，等．基于3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測［J］．測繪通報，2005(7):40-42．

［5］ 馬立廣．地面三維激光掃描測量技術(shù)研究［D］．武漢:武漢大學，2005．

［6］ 董秀軍．三維激光掃描技術(shù)及其工程應(yīng)用研究［D］．成都:成都理工大學，2007．

［7］ 魏小佳，黃潤秋，裴向軍，等．三維激光技術(shù)在高陡危巖體調(diào)查中的應(yīng)用［J］．工程勘察，2011(3):57-62．

［8］ 梁爽．三維激光掃描技術(shù)在煤矸石山難及區(qū)域測繪中的應(yīng)用［J］．勘察科學技術(shù)，2011(3):44-47．

［9］ 宿淵源，張景發(fā)．三維激光掃描技術(shù)在震后地面三維重建中的應(yīng)用［C］∥地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集．北京:地震出版社，2012:30-36．

［10］ 蔡潤彬，潘國榮．三維激光掃描多視點云并拼新方法［J］．同濟大學學報:自然科學版，2006，34(7):913-918．