三維激光掃描技術在地質(zhì)災害應急測繪中的應用

胡 磊, 彭勁松, 葉 波, 陳海佳

(1. 武漢海達數(shù)云技術有限公司,湖北 武漢 430023； 2. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421005)

中海達·開啟智時代

三維激光掃描技術在地質(zhì)災害應急測繪中的應用

胡 磊1, 彭勁松2, 葉 波1, 陳海佳1

(1. 武漢海達數(shù)云技術有限公司,湖北 武漢 430023； 2. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421005)

通過研究三維激光掃描儀快速獲取突發(fā)性地質(zhì)災害的地形數(shù)據(jù)，結合激光點云分析軟件，將三維數(shù)據(jù)和二維數(shù)據(jù)相比，并以真三維進行展示和分析，結合應急指揮解決突發(fā)性地質(zhì)災害應急高精度測繪的需求。

三維激光掃描；地質(zhì)災害；應急測繪

地質(zhì)災害的分類就地質(zhì)環(huán)境或地質(zhì)體變化的速度而言，可分突發(fā)性地質(zhì)災害與緩變性地質(zhì)災害兩大類。對于緩變性地質(zhì)災害，可采用多次固定觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，階段性的激光點云數(shù)據(jù)形成對比分析形變量，達到預警值則需進行地質(zhì)災害發(fā)生警報，做到可控性災害防治。突發(fā)性地質(zhì)災害是最難以預警的，災害發(fā)生后，需要快速、直觀、高精度地獲取災害地形基礎數(shù)據(jù)進行應急處理，三維激光設備恰好能快速獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，結合激光點云分析軟件，快速生產(chǎn)地形圖、方量等信息用于特種應急指揮，可為應急災害提供精準的基礎數(shù)據(jù)。

1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術是從復雜實體或?qū)嵕爸兄亟繕说娜叭S數(shù)據(jù)及模型，它通過高速激光掃描測量的方法，獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)并進行高精度的三維逆向建模。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”。

本次研究采用中海達HS1200三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)獲取，HS1200采用脈沖式激光測距的基本原理，如圖1所示，在地質(zhì)災害應急方面與傳統(tǒng)測繪技術相比有以下優(yōu)勢特點：

圖1 三維激光掃描儀工作原理

(1) 非接觸測量。三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，可以用于解決危險目標、環(huán)境等特殊情況，最遠距離可達1200 m。

(2) 數(shù)據(jù)采樣率高。目前，采用脈沖激光或時間激光的三維激光掃描儀采樣點速率可達到50點/s，可見采樣速率是傳統(tǒng)測量方式難以比擬的。

(3) 主動發(fā)射掃描光源。三維激光掃描技術采用主動發(fā)射掃描光源(激光)，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標物體數(shù)據(jù)信息，因此掃描過程中，可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境時間和空間的約束。

(4) 高分辨率、高精度。三維激光掃描測量技術可以對掃描目標進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而最高可達到5 mm高分辨率的三維激光數(shù)據(jù)，對于單點測量精度也完全滿足一般測量需求。

2 技術方案

本次工作主要內(nèi)容是利用三維激光掃描技術對貴州威寧縣滑坡點監(jiān)測及四川省綿竹市小崗劍滑坡點監(jiān)測，采集三維激光數(shù)據(jù)，生成地表模型并提取研究區(qū)地表分類數(shù)據(jù)。整體技術方案(如圖2所示)如下。

圖2 三維激光掃描技術方案

2.1 采集方案制定階段

采集方案制定是指整個工作總體及技術方案制定過程，針對貴州威寧縣滑坡點及四川綿竹市小崗劍滑坡點均采用三維激光掃描儀遠距離獲取數(shù)據(jù)，HS1200三維激光掃描儀具有后視定向功能，可高精度獲取絕對坐標系的激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步踏勘，擬定合適的架站位置，盡可能全覆蓋測區(qū)，設置合理的激光參數(shù)，制定詳細的實施方案。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段

根據(jù)現(xiàn)場勘查的結果，貴州威寧縣滑坡點采用3個測站點進行數(shù)據(jù)獲取，分別為600 m處2個遠距離測站點獲取整體滑坡，100 m處1個近距離測站點獲取滑坡受災山村地形。

兩次外業(yè)數(shù)據(jù)采集均為絕對坐標數(shù)據(jù)，采用RTK結合HS1200后視定向功能獲取了WGS-84坐標系下的絕對激光點云數(shù)據(jù)。如圖3所示。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段

通過HD_3LS_SCENE軟件可將點云導入，同時將RTK獲取的絕對坐標信息以文本格式導入，軟件將自動識別后視標靶并匹配絕對坐標可自動將點云匹配至WGS-84坐標系下。

圖3 原始三維激光數(shù)據(jù)

再通過自動去除噪點，通過激光多次回波信息，提取出地表數(shù)據(jù)及植被信息，通過對地表激光點云數(shù)據(jù)構TIN，制作出DEM數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 基于點云數(shù)據(jù)生成的DEM

3 成果應用及分析

3.1 基于點云數(shù)據(jù)繪制裂縫線

在山體滑坡監(jiān)測中，實時掌握裂縫所在位置、裂縫寬度對危巖應力分析尤為重要。中海達的點云后處理軟件中可清晰分辨裂縫體所在位置并進行量測。如圖5所示。

3.2 任意區(qū)域自動化計算

基于點云數(shù)據(jù)可自動生成DEM，由此可獲取任意區(qū)域面積，其中DEM是零階單純的單項數(shù)字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上生成。如圖6所示。

圖6 任意區(qū)域自動計算

3.3 提取山體任意橫斷面線

由于點云數(shù)據(jù)具有高精度的點云坐標信息，因此可在點云后處理軟件中制定橫斷面，即可得到橫斷面線。

4 結 語

本項目研究已經(jīng)完全滿足使用需求，從中可以看出三維激光掃描技術的最大優(yōu)點即快捷、方便、準確、動態(tài)、實時、全數(shù)字化，具有高精度、測量方式靈活、不接觸等特點，可以迅速獲取對象物體的空間三維數(shù)據(jù)，以便對其模型進行數(shù)據(jù)處理、分析，或者為相應的數(shù)字化產(chǎn)品提供基礎數(shù)據(jù)源；具有數(shù)據(jù)精確、測量時間短、工作效率高的特點，可以真實反映現(xiàn)實環(huán)境，實現(xiàn)精細化測繪，給當?shù)馗骷壊块T提供了真實可靠的災情數(shù)據(jù)。