Li DAR技術在錢塘江海塘工程安全監測上的應用研究

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．浙江省水利防災重點實驗室，浙江 杭州310020）

Li DAR（Light Detection And Ranging）技術將全球定位技術、慣性導航技術和激光測距技術有效集成［1］，是21世紀的一項測繪技術新突破。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，生成地物的三維點云數據，充分體現地物的特征信息，相比傳統的測量方式，具有效率高，數據量豐富、主動性、全天候等優勢［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準海塘，錢塘江標準海塘位于錢塘江河口南北兩岸，發揮著防潮擋潮、抵御強臺風的作用，保護著周邊地區億萬人民的生命和財產安全。采用傳統的測量方法對千里海塘進行安全監測耗時耗力，因此，如何快速獲取海塘工程現狀信息，了解海塘安全狀況具有重大的意義。隨著水利行業信息化技術的發展，對新技術的需求越來越大，Li DAR技術作為一種快速測量手段，隨之數據精度的提高和使用成本的降低，逐漸受到廣泛關注。本文將探索Li DAR技術在錢塘江海塘工程安全監測上的應用方法。

1 Li DAR技術概述

Li DAR技術是以距離測量為主，強度測量為輔，它通過位置、距離、角度等觀測數據，快速獲取地面三維點坐標（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［3］，可直接生成點云圖像和強度圖像，實現地表信息提取和三維場景重建 其獨特的工作方式和數據處理方法已成為獲取空間數據的一種重要技術手段。根據載體平臺的不同，主要分為機載、車載、地面激光掃描技術3種［4］，不同的Li DAR系統平臺也適用于不同的應用范圍。

機載Li DAR由于測量時距離較遠，相比于車載和地面Li DAR，獲取到的點云密度較為稀疏，但一次采集的數據覆蓋范圍較大；而車載和地面Li－DAR，由于近距離測量，獲取到的點云數據密度更大，但由于激光雷達射程局限及地面遮擋物原因，一次采集獲取的數據覆蓋范圍較小。

本文將通過機載和車載兩種Li DAR系統平臺，分別獲取錢塘江海塘的三維點云數據，探索點云數據處理方法，并將處理后的數據應用于錢塘江海塘工程安全監測上。

2 三維點云數據采集

2．1 Li DAR數據采集與處理流程

三維點云數據基本采集與處理流程包括：數據采集平臺的確定，點云數據的獲取，數據預處理，數據處理，數據分析與應用，如圖1所示。

圖1 點云數據處理流程

2．2 機載Li DAR樣區數據

在研究中獲取到的機載實驗區的數據是錢塘江北岸海塘，靠近嘉興海寧市的一段長2 k m、寬2 k m的標準海塘范圍數據，共獲取到該段點云1 029 945個點，如圖2所示。

圖2 機載三維點云數據

2．3 車載Li DAR樣區數據

車載實驗區數據是錢塘江南岸海塘，位于杭州蕭山區一段長約2 k m，寬約0．25 k m左右的海塘范圍數據，共獲取到該段點云3 531 033個點，如圖3所示。

圖3 車載三維點云數據

2．4 數據預處理

Li DAR系統采集到的數據主要包括原始激光點云數據、影像數據、地面GPS數據等。原始數據首先要進行數據預處理，包括：激光數據定位定向、數據檢校、坐標轉換、不同航帶的數據拼接等過程［5］。

數據的預處理過程可以通過測量系統自帶的軟件來完成。針對機載點云數據，采用Terrasolid軟件的Terra Match模塊，進行不同航帶的自動匹配、數據糾正與檢校等預處理工作；車載點云數據則采用車載測量系統匹配的軟件平臺完成預處理工作。

3 基于錢塘江海塘的點云處理與分析

3．1 數據處理

1）噪聲去除。在實際掃描作業過程中由于受環境、人為等因素的影響，獲取的點云數據不可避免的包含噪聲 為了降低或消除噪聲對建模質量的影響，必須對數據進行去噪處理［6］。

2）數據抽稀。由于獲取到的點云數據量過大，在數據處理時，數據處理速度較慢，為提高工作效率，可在不影響地物特征的情況下，根據一定的模型抽稀數據，以提高數據處理速度。

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

3）數據分類。機載Li DAR航飛獲取的原始激光數據在經過數據預處理之后生成海量的激光點云數據，這些數據包括有地面點、植被點、建筑物點、水域點、其他地物點等［7］。采用Terrsolid軟件的TerraScan模塊，在設置好參數后，可以進行不同地物類型的自動分類 如地面點放在ground層 植被點放在vegetation層，建筑物點放在building層。在自動分類獲得地面點之后，可能還存在不符合實際情況的地面點，因此還需要進行一定的手動分類，使生成的DEM更趨于平滑［8］。

而對于車載數據，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，提取海塘工程點云數據，完成三維點的分類過程。

3．2 三維模型的建立

3．2．1 機載點云三維模型

利用Terrasolid軟件的Terramodel模塊，可以直接根據分類后的地面點實時生成該地塊的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，符合實際情況。

圖4 機載點云三維模型（DSM、DEM）

3．2．2 車載點云三維模型

Real Works軟件可以通過建模構建三角格網模型。圖5的三角格網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，與實際情況相符。該軟件不能直接通過點云直接生成DEM，為此，在數據處理時，先將分類處理后的海塘點云抽稀處理，然后轉為矢量點數據，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 數據應用分析

3．3．1 剖面分析

根據生成的DEM數據，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 車載點云三維模型（三角格網模型、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云數據，分別生成同一地區的兩期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行監測。

圖7 DEM沉降監測

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，在車載系統的誤差范圍內，可判斷海塘工程沉降不明顯。

4 結束語

海塘工程是大型的水利工程設施，它的安全與否直接影響著周邊人民群眾的生產生活，隨著浙東千里標準海塘工程的建立完成，對海塘工程的實時安全監測任務亟待解決。本文通過探索Li DAR在海塘工程安全監測上的應用研究，提出通過激光雷達獲取研究區海塘工程的三維點云數據，運用不同軟件對三維點云數據處理與分析，對研究區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工程安全與否的新方法。

下一步可在本次研究的基礎上，運用三維建模軟件，建立海塘工程的實景三維模型，完成海塘工程三維場景重建。

［1］ 王金鑫．機載Li DAR系統及其在水利中的應用［J］．測繪與空間地理信息，2012，35（2）：4－7．

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

［3］ 王方建．大型建筑物數字化及三維建模關鍵技術分析［J］．遙感技術與應用，2014，29（1）：144－150．

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

［5］ 黃穎．大規模Li DAR數據的建模方法與應用研究［D］．成都：西南交通大學，2010．

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

［7］ 梁東業．Li DAR技術及其在水利中的應用研究［D］．武漢：長江科學院，2010．

［8］ 辛麒．基于機載激光雷達數據構建DEM的精度分析［D］．西安：長安大學，2009．