Li DAR技術(shù)在錢塘江海塘工程安全監(jiān)測上的應(yīng)用研究

陳夢雪，劉洪慶，許世城

（1．浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020；2．浙江省水利防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310020）

Li DAR（Light Detection And Ranging）技術(shù)將全球定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)和激光測距技術(shù)有效集成［1］，是21世紀(jì)的一項(xiàng)測繪技術(shù)新突破。它采用非接觸式激光測量方式，可以快速獲取地物的三維信息，生成地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)地物的特征信息，相比傳統(tǒng)的測量方式，具有效率高，數(shù)據(jù)量豐富、主動性、全天候等優(yōu)勢［2］。

海塘是人工修建的擋潮堤壩，是中國東南沿海地帶的重要屏障，截至目前，浙江省已建成千里標(biāo)準(zhǔn)海塘，錢塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘位于錢塘江河口南北兩岸，發(fā)揮著防潮擋潮、抵御強(qiáng)臺風(fēng)的作用，保護(hù)著周邊地區(qū)億萬人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。采用傳統(tǒng)的測量方法對千里海塘進(jìn)行安全監(jiān)測耗時耗力，因此，如何快速獲取海塘工程現(xiàn)狀信息，了解海塘安全狀況具有重大的意義。隨著水利行業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展，對新技術(shù)的需求越來越大，Li DAR技術(shù)作為一種快速測量手段，隨之?dāng)?shù)據(jù)精度的提高和使用成本的降低，逐漸受到廣泛關(guān)注。本文將探索Li DAR技術(shù)在錢塘江海塘工程安全監(jiān)測上的應(yīng)用方法。

1 Li DAR技術(shù)概述

Li DAR技術(shù)是以距離測量為主，強(qiáng)度測量為輔，它通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)，快速獲取地面三維點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z，…），具有控制測量依賴性少、受天氣影響小、自動化程度高、成圖周期短等特點(diǎn)［3］，可直接生成點(diǎn)云圖像和強(qiáng)度圖像，實(shí)現(xiàn)地表信息提取和三維場景重建 其獨(dú)特的工作方式和數(shù)據(jù)處理方法已成為獲取空間數(shù)據(jù)的一種重要技術(shù)手段。根據(jù)載體平臺的不同，主要分為機(jī)載、車載、地面激光掃描技術(shù)3種［4］，不同的Li DAR系統(tǒng)平臺也適用于不同的應(yīng)用范圍。

機(jī)載Li DAR由于測量時距離較遠(yuǎn)，相比于車載和地面Li DAR，獲取到的點(diǎn)云密度較為稀疏，但一次采集的數(shù)據(jù)覆蓋范圍較大；而車載和地面Li－DAR，由于近距離測量，獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度更大，但由于激光雷達(dá)射程局限及地面遮擋物原因，一次采集獲取的數(shù)據(jù)覆蓋范圍較小。

本文將通過機(jī)載和車載兩種Li DAR系統(tǒng)平臺，分別獲取錢塘江海塘的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，探索點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法，并將處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)用于錢塘江海塘工程安全監(jiān)測上。

2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2．1 Li DAR數(shù)據(jù)采集與處理流程

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)基本采集與處理流程包括：數(shù)據(jù)采集平臺的確定，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

2．2 機(jī)載Li DAR樣區(qū)數(shù)據(jù)

在研究中獲取到的機(jī)載實(shí)驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)是錢塘江北岸海塘，靠近嘉興海寧市的一段長2 k m、寬2 k m的標(biāo)準(zhǔn)海塘范圍數(shù)據(jù)，共獲取到該段點(diǎn)云1 029 945個點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 機(jī)載三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2．3 車載Li DAR樣區(qū)數(shù)據(jù)

車載實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)是錢塘江南岸海塘，位于杭州蕭山區(qū)一段長約2 k m，寬約0．25 k m左右的海塘范圍數(shù)據(jù)，共獲取到該段點(diǎn)云3 531 033個點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 車載三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2．4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Li DAR系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)主要包括原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地面GPS數(shù)據(jù)等。原始數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括：激光數(shù)據(jù)定位定向、數(shù)據(jù)檢校、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、不同航帶的數(shù)據(jù)拼接等過程［5］。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程可以通過測量系統(tǒng)自帶的軟件來完成。針對機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Terrasolid軟件的Terra Match模塊，進(jìn)行不同航帶的自動匹配、數(shù)據(jù)糾正與檢校等預(yù)處理工作；車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)則采用車載測量系統(tǒng)匹配的軟件平臺完成預(yù)處理工作。

3 基于錢塘江海塘的點(diǎn)云處理與分析

3．1 數(shù)據(jù)處理

1）噪聲去除。在實(shí)際掃描作業(yè)過程中由于受環(huán)境、人為等因素的影響，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免的包含噪聲 為了降低或消除噪聲對建模質(zhì)量的影響，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理［6］。

2）數(shù)據(jù)抽稀。由于獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過大，在數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)處理速度較慢，為提高工作效率，可在不影響地物特征的情況下，根據(jù)一定的模型抽稀數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)處理速度。

Real Wor ks軟件提供了不同的抽稀模型，包括隨機(jī)取樣、空間取樣、基于地形的取樣等方法，在實(shí)驗(yàn)時多種方法結(jié)合使用，以保留研究地物的特征信息。

3）數(shù)據(jù)分類。機(jī)載Li DAR航飛獲取的原始激光數(shù)據(jù)在經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理之后生成海量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括有地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、建筑物點(diǎn)、水域點(diǎn)、其他地物點(diǎn)等［7］。采用Terrsolid軟件的TerraScan模塊，在設(shè)置好參數(shù)后，可以進(jìn)行不同地物類型的自動分類 如地面點(diǎn)放在ground層 植被點(diǎn)放在vegetation層，建筑物點(diǎn)放在building層。在自動分類獲得地面點(diǎn)之后，可能還存在不符合實(shí)際情況的地面點(diǎn)，因此還需要進(jìn)行一定的手動分類，使生成的DEM更趨于平滑［8］。

而對于車載數(shù)據(jù)，本次處理過程中，主要利用Real Wor ks軟件來完成。通過軟件的OfficeSur vey模塊分割、取樣等功能，提取海塘工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完成三維點(diǎn)的分類過程。

3．2 三維模型的建立

3．2．1 機(jī)載點(diǎn)云三維模型

利用Terrasolid軟件的Terramodel模塊，可以直接根據(jù)分類后的地面點(diǎn)實(shí)時生成該地塊的DSM和DEM，如圖4所示，可以明顯看出海塘工程相較其它地物高程要高，符合實(shí)際情況。

圖4 機(jī)載點(diǎn)云三維模型（DSM、DEM）

3．2．2 車載點(diǎn)云三維模型

Real Works軟件可以通過建模構(gòu)建三角格網(wǎng)模型。圖5的三角格網(wǎng)模型可以明顯看出海塘工程的防洪墻與堤頂之間存在高程差，測量防洪墻與堤頂之間的距離約為1．5 m，與實(shí)際情況相符。該軟件不能直接通過點(diǎn)云直接生成DEM，為此，在數(shù)據(jù)處理時，先將分類處理后的海塘點(diǎn)云抽稀處理，然后轉(zhuǎn)為矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)，在Arc GIS中完成DEM的生成。

在Arc GIS中生成的DEM如圖5所示。

3．3 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

3．3．1 剖面分析

根據(jù)生成的DEM數(shù)據(jù)，利用GIS平臺完成海塘工程的剖面分析，能夠充分了解海塘工程的剖面信息，包括防洪墻的高程信息，周邊地物高程信息等。在圖6所示的剖面圖中，防洪墻高程為7．8 m，堤頂高程為6 m。

圖5 車載點(diǎn)云三維模型（三角格網(wǎng)模型、DEM）

圖6 海塘工程剖面圖

3．3．2 沉降分析

對比兩期車載Li DAR平臺獲取到的海塘工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別生成同一地區(qū)的兩期DEM，在ARCGIS中可疊加分析不同時期的DEM（見圖7），可對海塘工程的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。

圖7 DEM沉降監(jiān)測

由兩次DEM對比分析可知，海塘工程堤頂兩次疊加，高程相差大部分在3 c m以內(nèi)，在車載系統(tǒng)的誤差范圍內(nèi)，可判斷海塘工程沉降不明顯。

4 結(jié)束語

海塘工程是大型的水利工程設(shè)施，它的安全與否直接影響著周邊人民群眾的生產(chǎn)生活，隨著浙東千里標(biāo)準(zhǔn)海塘工程的建立完成，對海塘工程的實(shí)時安全監(jiān)測任務(wù)亟待解決。本文通過探索Li DAR在海塘工程安全監(jiān)測上的應(yīng)用研究，提出通過激光雷達(dá)獲取研究區(qū)海塘工程的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用不同軟件對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與分析，對研究區(qū)海塘工程的沉降變化、剖面情況等作出分析，在一定程度上探索出了一種評價(jià)工程安全與否的新方法。

下一步可在本次研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維建模軟件，建立海塘工程的實(shí)景三維模型，完成海塘工程三維場景重建。

［1］ 王金鑫．機(jī)載Li DAR系統(tǒng)及其在水利中的應(yīng)用［J］．測繪與空間地理信息，2012，35（2）：4－7．

［2］ 韋春桃．3維激光掃描技術(shù)在墓葬保護(hù)中的應(yīng)用［J］．測繪與空間地理信息，2012，35（10）：4－6．

［3］ 王方建．大型建筑物數(shù)字化及三維建模關(guān)鍵技術(shù)分析［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2014，29（1）：144－150．

［4］ 譚敏，洪金益．基于Terrasolid軟件的車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理初探［J］．測繪與空間地理信息，2011，34（5）：195－198．

［5］ 黃穎．大規(guī)模Li DAR數(shù)據(jù)的建模方法與應(yīng)用研究［D］．成都：西南交通大學(xué)，2010．

［6］ 趙小平，劉文龍，高紹偉．基于三維激光掃描技術(shù)的校園可視化［J］．測繪通報(bào)，2011（8）：45－47，50．

［7］ 梁東業(yè)．Li DAR技術(shù)及其在水利中的應(yīng)用研究［D］．武漢：長江科學(xué)院，2010．

［8］ 辛麒．基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM的精度分析［D］．西安：長安大學(xué)，2009．