基于激光雷達(dá)的川西高原山區(qū)運(yùn)營高速公路地質(zhì)災(zāi)害判識(shí)研究

摘" 要：針對(duì)川西高原山區(qū)高速公路運(yùn)營期的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，創(chuàng)新性地構(gòu)建了無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）全流程遙感解析技術(shù)體系，結(jié)合典型災(zāi)害案例，驗(yàn)證其工程適用性。研究采用KWT-X6L-15無人機(jī)搭載多頻段LiDAR系統(tǒng)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、多維特征提取與地形建模，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜植被覆蓋區(qū)隱蔽性災(zāi)害的精準(zhǔn)識(shí)別。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：在某3 km試驗(yàn)段內(nèi)，系統(tǒng)成功辨識(shí)出10處滑坡體、6處危巖帶、3條泥石流溝與3處不穩(wěn)定斜坡，并且繪制了災(zāi)害空間分布熱力圖。以鐵邑牽引式滑坡和磨子溝泥石流為例，通過三維形變場反演與水文動(dòng)力學(xué)參數(shù)耦合分析，揭示了災(zāi)害鏈?zhǔn)窖莼?guī)律，為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)工程防護(hù)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害 激光點(diǎn)云 數(shù)字地形模型 川西高原 公路安全

Research on Geological Hazard Identification of OperatingAnalysis of Highway Damage Caused by Torrential Rain and Mudslide in Western Sichuan Plateau Mountainous Areas Based on Lidar

MEI Benqiang¹ "SONG Yang^2* ""RAN Xiaosong¹ ZHANG Le^2"" HE Yunyong²

（1. Ya 'an Transportation Construction Group Co.， Ltd.， Ya 'an， Sichuan Province， 625000 China;；

2. Sichuan Provincial Highway Planning， Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd， Chengdu， Sichuan Province， 610041 China）

Abstract： In response to the geological safety risks during the operation period of highways in the western Sichuan Plateau mountainous areas， an innovative unmanned aerial vehicle （UAV） airborne LiDAR （Light Detection and Ranging， LiDAR） full process remote sensing analysis technology system has been constructed， and its engineering applicability has been verified through typical disaster cases. The research uses the KWT-X6L-15 drone equipped with a multi band LiDAR system to achieve accurate identification of hidden disasters in complex vegetation coverage areas through point cloud data collection， multi-dimensional feature extraction， and terrain modeling. The measured data shows that within a 3 km test section， the system successfully identified 10 landslide bodies， 6 dangerous rock zones， 3 debris flow gullies， andTo Aiming at the safety problem of expressway operation in the mountainous area of western Sichuan Plateau， laser radar technology is used for remote sensing interpretation， and its technical process is summarized and practical cases are explained. The results show that the laser point cloud data acquisition is carried out by using the UAV platform equipped with the airborne laser radar measurement system with the laser radar as the technical means， and the data processing is carried out according to the process of preprocessing， denoising filtering classification and digital elevation model construction， which can effectively interpret the geological disasters of the highway in the mountainous area of the western Sichuan Plateau and provide support for the safety of the high-speed operation. Taking a 3 km section of an expressway as an example， 10 landslides， 6 collapses， 3 debris flows， 3 unstable slopes， and drew a thermal map of the spatial distribution of disastersaccumulations were interpreted by lidar， forming a disaster distribution map. Taking the Tieyi traction landslide and Mozigou debris flow as examples， the coupling analysis of three-dimensional deformation field inversion and hydrodynamic parameters reveals the chain evolution law of disasters， providing data support for engineering protection design in high-risk areasthe translation results are expressed.

Key Wwords： Geological disaster Western Sichuan Plateau; Laser point cloudExpress way; Digital terrain modelLight detection and ranging; Western Sichuan plateau; Highway safetyRemote sensing interpretation川西高原山區(qū)公路（如G317、G318）因地質(zhì)災(zāi)害年均中斷交通超30次，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.2億元，例如：2019年G317線理縣段滑坡導(dǎo)致路基垮塌80 m，修復(fù)費(fèi)用超2 000萬元。地質(zhì)災(zāi)害還通過“鏈?zhǔn)叫?yīng)”誘發(fā)次生災(zāi)害，例如：泥石流堵塞河道，引發(fā)洪水沖毀橋梁。

現(xiàn)有技術(shù)中，地面勘測(cè)法（如地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔勘探）精度高，但效率低，適用于局部重點(diǎn)區(qū)域；空天遙感法（如光學(xué)衛(wèi)星、合成孔徑干涉雷達(dá)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR））可以大范圍監(jiān)測(cè)形變，但受云霧遮擋且植被穿透能力弱；無人機(jī)傾斜攝影分辨率達(dá)厘米級(jí)，但數(shù)據(jù)處理復(fù)雜且依賴光照條件^[1-3]。然而，激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）通過發(fā)射近紅外激光（波長905～1 550 nm），可以穿透植被冠層，生成亞米級(jí)數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），其垂向精度達(dá)±15 cm^[4]。在川西高原茂密植被覆蓋區(qū)，LiDAR成功識(shí)別出12處光學(xué)遙感遺漏的潛在滑坡^[5-6]。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如隨機(jī)森林），可以將滑坡識(shí)別準(zhǔn)確率提升至92%^[7-8]。相較于InSAR，LiDAR不受大氣延遲影響，并且適用于多云多雨環(huán)境^[9]。

鑒于此，本文以某高速公路為例，采用LiDAR技術(shù)，詳細(xì)總結(jié)遙感解譯技術(shù)流程，并以某3 km區(qū)段為例進(jìn)行應(yīng)用說明，研究成果可以為川西高原山區(qū)運(yùn)營高速公路地質(zhì)災(zāi)害判識(shí)提供參考。

1 "LiDAR技術(shù)與遙感數(shù)據(jù)處理

工作主要內(nèi)容包括激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理、不良地質(zhì)現(xiàn)象遙感解譯。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理，對(duì)工點(diǎn)不良地質(zhì)現(xiàn)象的類型、規(guī)模、分布等進(jìn)行判別解譯，分析沿線不良地質(zhì)現(xiàn)象形成和發(fā)育的空間分布特征，可以說明其對(duì)路線方案和工程的影響程度。

1.1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

采用無人機(jī)平臺(tái)搭載機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)設(shè)備選用KWT-X6L-15大型多旋翼無人機(jī)，其可負(fù)載15 kg，航時(shí)達(dá)75 min，翼展2.5 m，具高抗風(fēng)能力，中心盤具有3掛載點(diǎn)，可以同時(shí)負(fù)載3個(gè)云臺(tái)，匹配實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位、避障、拋投、測(cè)繪等多種功能模塊，并可支持系留模式。

1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)要素

機(jī)載設(shè)備收集的數(shù)據(jù)主要有回波強(qiáng)度和次數(shù)、掃描點(diǎn)三維空間信息、系統(tǒng)參數(shù)等。點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)、激光回波和強(qiáng)度數(shù)據(jù)是激光脈沖返回的關(guān)鍵信息。

1.2.1 坐標(biāo)數(shù)據(jù)

坐標(biāo)數(shù)據(jù)是LiDAR的核心數(shù)據(jù)，其記錄了航測(cè)區(qū)域的地物點(diǎn)、地形點(diǎn)三維空間信息，數(shù)據(jù)處理可以通過激光測(cè)距儀、慣性測(cè)量裝置與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）解算，再實(shí)現(xiàn)目的。

1.2.2 激光回波數(shù)據(jù)

激光的穿透性使其在掃描不同的地物時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的回波次數(shù)，回波信號(hào)與地物表面有著直接的關(guān)系。當(dāng)激光照射到光禿的地面或簡單平整的建筑物屋頂時(shí)，激光只會(huì)產(chǎn)生一次回波；當(dāng)激光脈沖穿透參差不齊的植被時(shí)，則會(huì)形成多次回波。因此，根據(jù)激光穿透不同地物反饋的回波次數(shù)差異，可以進(jìn)行地物區(qū)分。

1.2.3 激光強(qiáng)度數(shù)據(jù)

根據(jù)不同地物對(duì)激光信號(hào)響應(yīng)特征的差異，可以歸類地物信息。

1.3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.3.1預(yù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分為質(zhì)量檢查和大地定向2個(gè)步驟。

（1）點(diǎn)云質(zhì)量檢查的目的是保障原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，在其滿足誤差允許的情況下，再對(duì)其進(jìn)行降噪與分類等處理。針對(duì)可能存在的不同架次、不同航線間點(diǎn)云匹配存在誤差等問題，使用專業(yè)軟件進(jìn)行激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，并且進(jìn)行航線間點(diǎn)云匹配消除。

（2）大地定向旨在賦存原始數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)信息，原始數(shù)據(jù)包括不同坐標(biāo)系下的空間數(shù)據(jù)，如空中平臺(tái)內(nèi) GPS 記錄的信息、激光掃描儀得到的原始激光斜距數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與基站或地面連續(xù)運(yùn)行參考站獲取的空間數(shù)據(jù)等。通過這些不同坐標(biāo)系下的空間信息，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大地定向，使其空間信息變得更加精確，是進(jìn)行后續(xù)處理的前提。

1.3.2 去噪、濾波及分類

（1）去噪。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中受設(shè)備震動(dòng)、掃描體表層粗糙度等各類因素干擾形成的異常點(diǎn)統(tǒng)稱為噪點(diǎn)，包括地面高低點(diǎn)、孤立點(diǎn)等，其會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)的識(shí)別難度加大，降低數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

如圖1所示，通過區(qū)域搜索的方法剔除高程異常點(diǎn)，以被判定點(diǎn)為搜索中心，設(shè)置搜索半徑和閾值。如果搜索中心距離待搜索點(diǎn)的距離大于搜索中心與待搜索點(diǎn)附近點(diǎn)距離的 3 倍，則可以剔除該點(diǎn)。運(yùn)算不同算法（如K維樹）等對(duì)區(qū)域內(nèi)孤立點(diǎn)進(jìn)行剔除。

（2）濾波。點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理指按照地表實(shí)際情況，在海量的數(shù)據(jù)中將表示非自然地形的數(shù)據(jù)移除，保留正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光點(diǎn)云濾波通過一定的規(guī)則算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，區(qū)分自然地形、人工地物和非地面信息，分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以為其延伸產(chǎn)品提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

通過濾波處理，剔除較多的非地面數(shù)據(jù)，LiDAR 數(shù)據(jù)趨于平順，并且降低了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和儲(chǔ)存空間，利于數(shù)據(jù)查詢與后續(xù)處理。

（3）分類。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波質(zhì)量和該區(qū)域的地形、點(diǎn)云質(zhì)量、濾波參數(shù)的選擇都有關(guān)系。為防止重要地形特征的丟失，在濾波處理后，仍需要通過人機(jī)交互的方式繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)云精細(xì)化分類，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以達(dá)到滿足誤差要求的精度水平。

1.3.3 數(shù)字高程模型構(gòu)建

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波后，基本剔除了建筑物、樹木及其他地物特征。若要生成原始地形所在區(qū)域的數(shù)字高程模型，則仍需要針對(duì)前述剔除導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失空間進(jìn)行地面點(diǎn)插值，以獲取高程，生成符合原地形趨勢(shì)特點(diǎn)的DEM。

在評(píng)估分析過程中，還需要對(duì)DEM進(jìn)行加工處理，生成不同的產(chǎn)品，如山體陰影等，以便更加直觀、便捷地對(duì)地災(zāi)進(jìn)行分析量測(cè)等工作。

2" 實(shí)例分析

該區(qū)域下伏地層以志留系茂縣群第二段（S_mx²）為主。巖性上部為薄層、中層微晶灰?guī)r、砂泥質(zhì)灰?guī)r與綠色絹云板巖呈不等厚互層；下部為以灰、灰綠色絹云板巖為主，夾薄層、透鏡狀砂泥質(zhì)灰?guī)r，底部為雜色鈣質(zhì)石英砂巖，厚120～316 m。兩側(cè)巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重，發(fā)育多處崩塌、滑坡，坡表可見崩落土石塊。

經(jīng)光學(xué)影像和激光點(diǎn)云解譯，兩岸共發(fā)育滑坡10處、崩塌6處、泥石流3處，不穩(wěn)定斜坡和堆積體3處。高速公路主要沿雜谷腦河左岸以連續(xù)橋梁形式展布，部分地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)已進(jìn)行處治，其中，滑坡H1、滑坡H2、滑坡H3、滑坡H6已通過抗滑樁進(jìn)行處治，崩塌B1已設(shè)置柔性防護(hù)網(wǎng)。

2.1滑坡解譯

滑坡H8為鐵邑滑坡，位于雜谷腦河右岸，長506 m，高742 m?；抡w呈扇形，下部斜坡坡度約40°～45°，中部斜坡坡度約30～35°，上部斜坡坡度約40°～45°。后緣形成高約8～20 m滑動(dòng)錯(cuò)臺(tái)，滑坡順G317方向?qū)捈s280 m、縱向長約480 m、厚度約20～25 m?；麦w方量約268.8～336×10⁴ m³，屬巨型中層牽引式滑坡。在斜坡上部存在通村水泥路，坡表上部和下部局部區(qū)域被開墾為臺(tái)階狀旱地，中部人為改造較少。

如圖2所示，從山體陰影圖可以看出，該滑坡后緣錯(cuò)臺(tái)明顯，高度超30 m，邊界清晰，存在進(jìn)一步侵蝕剝落垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，坡表受雨水沖刷較為嚴(yán)重，中部區(qū)域形成的溝壑較多，有土石塊崩落滾動(dòng)痕跡，前緣與中部發(fā)育多處局部滑動(dòng)垮塌，部分變形垮塌坡面坡度較大，約35°～45°，后緣邊界清晰，存在再次發(fā)生垮塌變形風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 泥石流解譯

泥石流N2為磨子溝泥石流，整體由SW向NE傾斜，俯視溝域形態(tài)呈舌狀，溝域面積5.08 km²。最高點(diǎn)高程為主溝溝頭上方，高程為3 245 m；最低點(diǎn)為溝口堆積扇底部，高程為1 363 m，相對(duì)高差為1 882 m。主要由兩條呈“Y”型溝谷組成，主溝長度3.71 km，平均縱坡降為404.55‰；支溝長度1.62 km，平均縱坡降為388.21‰。磨子溝溝谷總體上為“Y”型谷，上游發(fā)育有一條支溝，土高與支溝之間存在有大型堆積體，堆積體長度約1 200 m、寬度約450 m、平均厚度大于40 m。目前多被墾為臺(tái)階狀果林，上、中部溝道窄陡，溝谷內(nèi)側(cè)存在基巖裸露，下部溝道坡度放緩，在溝口堆積為古泥石流堆積扇，如圖3。

3" 結(jié)論

（1）以LiDAR為技術(shù)手段，采用無人機(jī)平臺(tái)搭載機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，按預(yù)處理、去噪濾波分類、DEM構(gòu)建的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠有效解譯川西高原山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害，為運(yùn)營高速的安全提供支撐。

（2）以某高速公路某3 km區(qū)段為例，通過LiDAR解譯，得滑坡10處、崩塌6處、泥石流3處、不穩(wěn)定斜坡及堆積體3處，形成災(zāi)害分布圖；以鐵邑滑坡和磨子溝泥石流為例，進(jìn)行了解譯結(jié)果表達(dá)。

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