基于兩期機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的危巖變形識(shí)別方法研究

摘要：由于三峽庫(kù)區(qū)地勢(shì)高陡、植被茂密，傳統(tǒng)人工調(diào)查難以識(shí)別危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。以2023年10月7日龔家坊危巖崩塌為例，現(xiàn)場(chǎng)采集崩塌前后機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，過濾植被生成地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立了點(diǎn)云對(duì)比的高程差分模型，從而識(shí)別出危巖崩塌空間位置及變形量。結(jié)果表明：該高程差分模型可以清晰識(shí)別危巖崩塌空間位置及變形量，通過與光學(xué)三維影像、崩塌前后數(shù)字高程模型（DEM）對(duì)比，驗(yàn)證了高程差分模型的可行性。研究成果可為三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別、地災(zāi)監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：危巖變形識(shí)別；機(jī)載激光雷達(dá)；點(diǎn)云對(duì)比；高程差分模型；龔家坊危巖；三峽庫(kù)區(qū)

中圖法分類號(hào)：P642.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.021

0 引言

三峽水庫(kù)是中國(guó)重要水利樞紐工程，庫(kù)區(qū)兩岸山高坡陡、褶皺斷層發(fā)育，在歷史上形成了許多崩塌地質(zhì)災(zāi)害，其中巫山縣巫峽段就有龔家坊危巖^［1-2］、望霞危巖^［3-4］、箭穿洞危巖^［5-6］等地質(zhì)災(zāi)害，威脅航道運(yùn)行及周邊群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。由于區(qū)域植被發(fā)育、危巖高陡，傳統(tǒng)人工地面調(diào)查很難識(shí)別危巖地質(zhì)災(zāi)害隱患。

目前，研究學(xué)者通過兩期或者多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比捕捉地質(zhì)災(zāi)害變形信息，可以判斷地質(zhì)災(zāi)害空間位置及變形趨勢(shì)，是地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別的有效途徑。點(diǎn)云主要獲取方式包括無人機(jī)貼近攝影測(cè)量（Nap-of-the-object photogrammetry）、地面三維激光掃描技術(shù)（Terrestrial Laser Scanning，TLS）及無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)（Light Detection and Ranging，LiDAR），3種技術(shù)手段原理不同，在地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別應(yīng)用中有各自優(yōu)勢(shì)和局限。貼近攝影測(cè)量是通過貼近被測(cè)物體表面而不斷調(diào)整拍攝角度的攝影測(cè)量技術(shù)，可以獲取毫米級(jí)超高分辨率影像^［7］。一方面，高分辨率影像可以用于危巖結(jié)構(gòu)調(diào)查^［8］；另一方面，在貼近攝影測(cè)量三維模型的基礎(chǔ)上采樣獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過兩期數(shù)據(jù)對(duì)比獲取毫米級(jí)變形，可以定量分析庫(kù)區(qū)消落帶岸坡變化情況^［9］。但貼近攝影測(cè)量無法穿透植被，一般適用于庫(kù)區(qū)裸露危巖及庫(kù)岸消落帶變形分析。地面三維激光掃描是通過發(fā)射激光獲取高精度和高密度的三維點(diǎn)云，常被應(yīng)用于邊坡及危巖調(diào)查和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中。董秀軍等^［10］通過擬合三維點(diǎn)云并提取結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀信息，實(shí)現(xiàn)了高陡邊坡及危巖體的結(jié)構(gòu)面調(diào)查。薛強(qiáng)等^［11］利用多期三維激光掃描數(shù)據(jù)，生成多期數(shù)字高程模型（DEM）及點(diǎn)云剖面，可以分析滑坡局部變形特征。高梓成^［12］針對(duì)箭穿洞危巖體開展多期三維激光掃描工作，通過多期危巖體數(shù)據(jù)切片比較和整體比較得到了形變量，驗(yàn)證了利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行實(shí)際崩滑監(jiān)測(cè)與調(diào)查方法的可行性。但實(shí)踐表明：三維激光掃描架設(shè)受觀測(cè)角度、觀測(cè)距離等因素的制約，在庫(kù)區(qū)高陡且狹小空間內(nèi)使用存在一定的局限性。機(jī)載LiDAR是一種主動(dòng)式遙感測(cè)量手段，通過多次回波技術(shù)可以獲得高密集的點(diǎn)云（origin point），經(jīng)過濾波、分類可以過濾植被獲取真實(shí)地面點(diǎn)云（ground point），彌補(bǔ)了貼近攝影測(cè)量無法穿透植被和地貌三維激光掃描架設(shè)限制的不足。研究學(xué)者一般將地面點(diǎn)云生成高精度數(shù)值高程模型（DEM），利用紋理和陰影等差異可以人工目視解譯出地質(zhì)災(zāi)害要素，從而進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查^［13-15］、隱患識(shí)別^［16-19］和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)^［20-21］。在兩期或多期機(jī)載LiDAR點(diǎn)云對(duì)比方面，姚頑強(qiáng)等^［22］采集多時(shí)相機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出了點(diǎn)云直接比較的算法（cloud to cloud，C2C），驗(yàn)證了其在礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

鑒于機(jī)載雷達(dá)可以過濾植被獲取地面點(diǎn)云及點(diǎn)云對(duì)比的能力，本文以2023年10月7日三峽庫(kù)區(qū)龔家坊岸坡危巖崩塌為研究對(duì)象，利用崩塌前后機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立了一種通過兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別危巖變形空間位置及變形量的技術(shù)方法，以期為三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別、地災(zāi)監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)龔家坊岸坡危巖崩塌位于望霞背斜北西翼、巫山向斜南東翼之間（圖1～2）。望霞背斜形態(tài)近似箱狀，軸部平緩開闊，往兩翼變陡；巫山向斜南西段核部緩，翼部陡，呈屜形，往北東漸次變狹窄，軸面傾向北，樞紐起伏，兩翼基本對(duì)稱，次級(jí)褶皺發(fā)育。由此，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，為崩塌地質(zhì)孕育提供了有利條件。

2 崩塌結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，危巖體地層巖性主要為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段（T₁j⁴）巖溶角礫巖及三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段（T₁j³）中—厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，巖體溶蝕明顯、結(jié)構(gòu)裂隙、坡體地表裂縫發(fā)育（圖3）。采用赤平投影分析可知崩塌塊體由坡面、層面、多個(gè)裂隙面相互切割形成，結(jié)構(gòu)破碎。其中，巖層產(chǎn)狀342°∠44°，坡向180°，結(jié)構(gòu)類型為反向坡。結(jié)構(gòu)裂隙主要發(fā)育有3組，危巖體的主控裂隙（LX1）優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀175°∠45°，張開度2～5 mm，含泥質(zhì)充填物，裂隙面平直，延伸長(zhǎng)3～10 m，為危巖體的主控裂隙；第2組裂隙（LX2）優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀80°∠65°，裂隙張開度1～15 mm，含泥質(zhì)充填物，裂隙面鋸齒狀，延伸長(zhǎng)0.5～3.0 m；第3組裂隙（LX3）優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀195°∠59°，裂隙張開度2～13 mm，局部少量泥質(zhì)充填。

3 高程差分模型構(gòu)建方法

采用華測(cè)大黃蜂BB4無人機(jī)搭載AS1300HL激光雷達(dá)系統(tǒng)采集激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間分別是2022年5月10日和2024年3月30日，平均地面點(diǎn)云密度達(dá)到29.8點(diǎn)/m²。高程差分模型構(gòu)建方法如下（圖4）：首先，采用CoPre軟件將采集數(shù)據(jù)、華測(cè)云基站進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)；隨后，采用CoProcess 2.6進(jìn)行濾波、分類，過濾掉建筑物點(diǎn)云和植被點(diǎn)云，得到地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后，將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Polyworks，將第1期（崩塌前）地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三角化網(wǎng)格模型，并作為參考對(duì)象，將第2期（崩塌后）地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為測(cè)量對(duì)象，按照高程方向進(jìn)行差分，進(jìn)而獲得高程差分模型。

4 高程差分模型分析與驗(yàn)證

通過崩塌前后機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比，建立了危巖的高程差分模型。模型清晰顯示危巖崩塌空間位置及崩塌后坡體削方治理范圍（圖5（a））。其中，藍(lán)色區(qū)域代表減少，紅色區(qū)域代表增加。藍(lán)色最深區(qū)域表示此次位移崩塌位置，崩塌前后高程變形量達(dá)到13.3 m；藍(lán)色相對(duì)較淺的區(qū)域表示崩塌后坡體削方范圍，削方深度0.9～1.5 m。將高程差分模型與光學(xué)影像三維模型（圖5（b））、崩塌前后機(jī)載雷達(dá)DEM（圖5（c）、（d））進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：危巖崩塌范圍及變形量基本一致，驗(yàn)證了本文高程差分模型構(gòu)建方法在庫(kù)區(qū)危巖崩塌變形識(shí)別中的可行性。

5 結(jié)論

（1）本文高程差分模型識(shí)別了危巖崩塌變形空間位置及變形量，顯示出“10·7”龔家坊崩塌變形量達(dá)到13.3 m，與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文高程差分模型構(gòu)建方法的可行性。

（2）建議定期開展庫(kù)區(qū)大面域機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形對(duì)比，提高變形識(shí)別精度，這是庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患識(shí)別的重要研究方向。

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（編輯：劉媛）