三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用

■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用

■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)與物體三維測(cè)量等測(cè)繪及相關(guān)領(lǐng)域，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文在介紹三維激光掃描儀的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀及工作原理的基礎(chǔ)上，通過地面三維激光掃描儀實(shí)地測(cè)量，獲取此次泥石流滑坡高精度三維地理信息數(shù)據(jù)，為以后的災(zāi)后重建與防御工作提供第一手資料。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來發(fā)展趨勢(shì)。

三維激光掃描儀 泥石流 測(cè)量 地質(zhì)災(zāi)害

地面三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，但是在一些國(guó)家和領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用。地面三維激光掃描系統(tǒng)集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段與工具，國(guó)際上對(duì)這一技術(shù)的研究與應(yīng)用已有一定的成果，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，尤其在地災(zāi)點(diǎn)區(qū)域的測(cè)繪生產(chǎn)方面。近些年，我國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā)，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，及時(shí)獲得這些地災(zāi)點(diǎn)的三維地理信息對(duì)于其災(zāi)后重建與防御工作顯得尤為重要。由于這些地災(zāi)點(diǎn)多高陡險(xiǎn)峻，次生災(zāi)害隨時(shí)發(fā)生，對(duì)于這些地災(zāi)點(diǎn)應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)繪和地質(zhì)調(diào)查方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力并具有較高危險(xiǎn)性，而且通常很難得到令人滿意的結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)、地形測(cè)量、工程開挖、數(shù)字地形建模、地質(zhì)調(diào)查、減災(zāi)防害等方面的應(yīng)用，使筆者的工作方法與思路得到了擴(kuò)展。中、長(zhǎng)距離三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為地災(zāi)點(diǎn)的調(diào)查研究提供了一種新的辦法，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法的有益補(bǔ)充。本文在對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，闡述應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)快速獲取泥石流地災(zāi)點(diǎn)高精度三維地理信息數(shù)據(jù)，為以后的災(zāi)后重建與防御工作提供第一手資料。

1　三維激光掃描的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的儀器相比，三維激光掃描儀在使用上具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①可以全天候作業(yè)。由于采用的是激光，無需太陽(yáng)光，因此，三維激光掃描儀在黑暗的環(huán)境中照樣可以正常工作，例如隧道中或地下礦井中。②掃描的數(shù)據(jù)密度可以調(diào)節(jié)，根據(jù)不同距離，點(diǎn)間距可設(shè)小于1 mm或大于1 000 mm。③高精度。三維激光掃描儀的精度可以工作的范圍內(nèi)可達(dá)到1 cm，模型化后的精度更可達(dá)3 mm，可以充分滿足大部分的測(cè)量需求。

2　三維激光掃描與傳統(tǒng)測(cè)量的區(qū)別

與全站儀等單點(diǎn)采集三維數(shù)據(jù)的方法相比，三維激光掃描儀無需設(shè)置反射棱鏡，無接觸測(cè)量，在人員難以企及的危險(xiǎn)地段使用優(yōu)勢(shì)明顯；突破了單點(diǎn)測(cè)量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)描述細(xì)致、采樣速率高。這都是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。但缺點(diǎn)是比全站儀的測(cè)量精度低。三維激光掃描儀與以光學(xué)攝影測(cè)量為原理的近景攝影測(cè)量及航空攝影測(cè)量的獲取結(jié)果不同：攝影測(cè)量獲取的是影像照片，而激光掃描獲取的是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；獲取的數(shù)據(jù)格式不同：攝影測(cè)量數(shù)據(jù)拼接采用相對(duì)或絕對(duì)定向方式，三維激光掃描采用數(shù)據(jù)的坐標(biāo)匹配方式。另外，兩者拼接各測(cè)站間數(shù)據(jù)的方式、解析方法、測(cè)量精度、測(cè)量環(huán)境要求（攝影測(cè)量對(duì)環(huán)境光線、溫度要求高）和數(shù)據(jù)處理方式也不同。

3　地面三維激光掃描儀及其工作原理

地面激光掃描儀是一個(gè)由多個(gè)部件組成的復(fù)合系統(tǒng)，包括地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備，通過非接觸式高速激光測(cè)量方式獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，最后通過后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，并可以以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。三維激光掃描技術(shù)，通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過被測(cè)目標(biāo)信號(hào)接收器接收來自目標(biāo)體反射回來的激光脈沖，通過每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)（云點(diǎn)），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型（圖1）。

圖1　掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

3.1外業(yè)工作流程

一般來說，由于掃描儀掃描范圍的限制，三維激光掃描儀很難從一個(gè)方向掃描一次便可得到掃描體的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，反映一個(gè)掃描實(shí)體信息通常要由若干幅掃描才能完成。因此，掃描中要求相近場(chǎng)景的2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對(duì)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配。故在掃描前應(yīng)對(duì)掃描場(chǎng)地進(jìn)行初步踏勘，合理設(shè)置儀器的架設(shè)方案?？茖W(xué)合理地架設(shè)掃描機(jī)位，對(duì)采集高質(zhì)量三維數(shù)據(jù)、提高測(cè)量精度、全面反映場(chǎng)景細(xì)節(jié)有著十分重要的意義。掃描過程中可以根據(jù)工程需要與現(xiàn)場(chǎng)條件配合定位系統(tǒng)（GPS）一起使用，對(duì)掃描場(chǎng)景內(nèi)的明顯地物點(diǎn)、掃描機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行精確的坐標(biāo)測(cè)量，以便在后期處理中進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.2實(shí)地踏勘選點(diǎn)

結(jié)合實(shí)際，選擇合理的測(cè)量控制點(diǎn)。選點(diǎn)時(shí)應(yīng):（1）確保兩點(diǎn)之間盡可能通視，以便能有一定的公共區(qū)域；（2）選擇地理位置較高視野廣闊的點(diǎn)，從而獲取更多的有效數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)據(jù)采集

（1）調(diào)試相機(jī)。根據(jù)測(cè)量環(huán)境的光亮成度來調(diào)節(jié)標(biāo)配外掛單反相機(jī)的曝光時(shí)間，以便獲取更加真實(shí)的影像數(shù)據(jù)。此次掃描工作正處十月中旬，入冬的四川氣候條件濕潤(rùn)，山間雨霧較多，所以單張照片拍照時(shí)長(zhǎng)應(yīng)相對(duì)長(zhǎng)一些。

（2）架設(shè)儀器并記錄相關(guān)信息。將掃描儀架設(shè)于踏勘的控制點(diǎn)上，對(duì)中整平，記錄并量取設(shè)備儀器高。

（3）操控儀器采集數(shù)據(jù)。具體步驟包括:接通電源、連接筆記本電腦、新建項(xiàng)目、開始掃描、搬站。在每個(gè)站點(diǎn)開始掃描之前，需對(duì)站點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行掃描參數(shù)設(shè)置。首先目測(cè)掃描站點(diǎn)位置到目標(biāo)區(qū)域的大概距離，從而設(shè)置掃描模式。由于滑坡面積較大，所以本次測(cè)量設(shè)置的掃描模式都是1200m的遠(yuǎn)距離掃描模式，便于獲取離測(cè)站點(diǎn)較遠(yuǎn)的滑坡數(shù)據(jù)。同時(shí)勾選影像獲取，打開姿態(tài)評(píng)估功能鍵（記錄反北方向角）。需要說明的是，每站掃描時(shí)長(zhǎng)約為12 mm左右，掃描時(shí)間的長(zhǎng)短取決于2個(gè)方面:第一，設(shè)置的點(diǎn)密度大小，點(diǎn)云密集比點(diǎn)云稀疏所用掃描時(shí)間較長(zhǎng)（本次掃描1200m的地方點(diǎn)云密度為15cm）。第二，設(shè)置的掃描距離長(zhǎng)遠(yuǎn)，掃描越遠(yuǎn)的地方比掃描較近的區(qū)域所用時(shí)間較長(zhǎng)（本次掃描距離模式為1200 m長(zhǎng)遠(yuǎn)距離）。（4）GPS—RTK獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)由于臨時(shí)選點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)沒有坐標(biāo)，本工程通過GPS獲取臨時(shí)測(cè)站點(diǎn)大地坐標(biāo)值。

（4）定位。三維激光掃描技術(shù)可以深入到復(fù)雜的場(chǎng)景當(dāng)中去，快速、準(zhǔn)確地獲得掃描場(chǎng)景的三維數(shù)據(jù)。但三維激光掃描技術(shù)并不是無所不能，技術(shù)上還有待進(jìn)一步完善。比如在場(chǎng)地定位問題上，目前都是通過大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來解決的，這也就要求在激光掃描的同時(shí)要進(jìn)行若干次精確的大地坐標(biāo)測(cè)量。在一些大型水電邊坡工程中，雖然已經(jīng)存在許多大地坐標(biāo)控制點(diǎn)，但在現(xiàn)場(chǎng)掃描工作中發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)雜的施工場(chǎng)地及起伏的地形限制，根據(jù)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并識(shí)別坐標(biāo)控制點(diǎn)的水泥樁還存在很大困難，這也是造成定位誤差的一個(gè)重要原因。工程應(yīng)用中的掃描數(shù)據(jù)定位的精度，某些情況下直接影響著測(cè)量的最終結(jié)果。換言之，如果不能進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或定位不準(zhǔn)，那么在掃描數(shù)據(jù)中就不能進(jìn)行準(zhǔn)確的巖體產(chǎn)狀、垂向高差等量測(cè)。

3.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

3.4.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于激光掃描儀測(cè)量得到的數(shù)據(jù)所采用的三維直角坐標(biāo)系與實(shí)際的坐標(biāo)系之間的歐拉角可能很大。儀器自帶的GPS可以使掃描得到的數(shù)據(jù)獲得測(cè)站點(diǎn)的大致坐標(biāo)和反北反向角，通過該坐標(biāo)和反北反向角可以把三維激光數(shù)據(jù)糾正到大致正確位置。

3.4.2多站點(diǎn)調(diào)整

RiScan Pro軟件中多站點(diǎn)調(diào)整功能可以把粗拼接的兩個(gè)面進(jìn)行一個(gè)精細(xì)的擬合，達(dá)到理想平差效果。

3.4.3植被過濾

設(shè)備采用代表激光掃描儀發(fā)展方向的全波形數(shù)字化及實(shí)時(shí)處理技術(shù)，具有獨(dú)特的多回波功能，使激光可以更多地穿透植被，以獲取更多地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，配套軟件RiScan Pro對(duì)多回波數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)一鍵過濾植被的功能，使內(nèi)業(yè)處理更加簡(jiǎn)單高效。成果提交掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先要剔除噪點(diǎn)，然后用剔除噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型（DEM），得到的DEM成果（圖3），可在土木工程、地球科學(xué)等很多方面應(yīng)用，而本工程主要是應(yīng)用基于DEM的地形地貌分析功能。

圖3　最終成果圖

3.4.4成果應(yīng)用

圖4　泥石流區(qū)域DEM模型

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來發(fā)展趨勢(shì)（圖4）。研究表明，松散物質(zhì)的極大豐富和堵潰是導(dǎo)致此次特大泥石流規(guī)模巨大的主要原因;此地在短期內(nèi)泥石流仍會(huì)頻發(fā)，但規(guī)模要比此次泥石流小（圖4）。

4　結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方法，為測(cè)繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展是“繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新，將使測(cè)繪數(shù)據(jù)的研究?jī)?nèi)容、方法進(jìn)入新的發(fā)展階段”。將三維激光掃描儀引入到對(duì)地災(zāi)點(diǎn)的測(cè)繪生產(chǎn)是對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益擴(kuò)展與補(bǔ)充，在極大提高工作效率的同時(shí)提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度，并且在特定條件下可以提供傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

［1］ 李強(qiáng)，鄧輝，周毅，等.三維激光掃描在礦區(qū)地面沉陷變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)

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P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-292-2