三維激光掃描技術(shù)在震害調(diào)查中的應(yīng)用1

陳 波 徐 超 溫增平

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

三維激光掃描技術(shù)在震害調(diào)查中的應(yīng)用1

陳 波 徐 超 溫增平

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來的一門新技術(shù)。作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，該技術(shù)以其快速、精確、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。本文簡要介紹了三維激光掃描儀的基本原理及工作流程，并以蘆山7.0級地震為例回顧了該儀器在震害調(diào)查中的應(yīng)用情況和現(xiàn)場工作特點(diǎn)，對破壞后實(shí)景建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的收集、拼接、分析處理及三維虛擬重現(xiàn)進(jìn)行了實(shí)踐和研究，最后分析并探討了該儀器在地震應(yīng)急及科學(xué)考察中的應(yīng)用前景。

三維激光掃描 蘆山地震 震害調(diào)查 虛擬重現(xiàn) 應(yīng)用前景

陳波，徐超，溫增平，2015.三維激光掃描技術(shù)在震害調(diào)查中的應(yīng)用.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：87—94.doi：10.11899/zzfy20150109

引言

三維激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”。該技術(shù)在近幾年得到了飛速的發(fā)展，它能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物，快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)；無需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，即可真正的從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)；其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，具有精度高、速度快、無接觸測量、逼近原形等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)槿绱耍摷夹g(shù)在測繪工程、土木工程、地震地質(zhì)工程、逆向工程、三維城市建模以及文物保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。

以往有學(xué)者嘗試將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地震工程中，并取得了一定的成果（Olsen等，2009；Kayen等，2006；Chang等，2008；黨曉斌，2011；袁小祥等，2012），特別是在2008年汶川8.0級特大地震的應(yīng)急和災(zāi)后重建中，三維激光掃描儀發(fā)揮了積極的作用（董秀軍等，2008；陸益紅等，2011；趙俊蘭等，2012）。在震后都汶公路的搶通工作中，采用三維掃描儀短期內(nèi)完成了33處邊坡的數(shù)據(jù)采集，為搶通工作贏得了寶貴時(shí)間。同時(shí)還獲取了大量災(zāi)害隱患點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，形成各類有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)性圖件150余幅，為搶險(xiǎn)決策、施工設(shè)計(jì)等工作提供了科學(xué)依據(jù)（董秀軍等，2008）。另外，在汶川穿心店地震遺址的虛擬重建中也用到了三維激光掃描技術(shù)，最終以逼真的三維瀏覽界面展現(xiàn)了震后的實(shí)況，為地震文物檔案的建立、地震科普以及地震遺址保護(hù)等提供了翔實(shí)的資料（趙俊蘭等，2012）。但在更為廣泛的地震現(xiàn)場，迫于恢復(fù)重建等原因，建筑、橋梁等震害現(xiàn)象的存在，往往時(shí)間較短，如何在第一時(shí)間有效地獲取并保存這些寶貴的震害現(xiàn)象，一直是地震工程界所特別關(guān)注的問題之一。

2013年4月20日四川省蘆山MS7.0級地震是2008 年汶川MS8.0級特大地震后，在龍門山斷裂帶上發(fā)生的又一次強(qiáng)烈地震。地震發(fā)生后，中國地震局地球物理研究所地震現(xiàn)場工作隊(duì)在第一時(shí)間趕赴災(zāi)區(qū)開展應(yīng)急工作，探索性地將激光三維掃描儀應(yīng)用于地震現(xiàn)場工作中，迅速有效地獲取了地震后建筑結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，為地震烈度評估及震害分析提供了真實(shí)精確的第一手資料。本文在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了三維激光掃描儀在地震中的應(yīng)用前景，以期為今后的地震應(yīng)急和科學(xué)考察工作提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。

1 三維激光掃描儀基本原理及工作流程

三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)及其他輔助功能構(gòu)成，如內(nèi)置相機(jī)雙軸補(bǔ)償器等。按照測距原理的不同，可分為脈沖式掃描儀、相位式掃描儀和三角測量式掃描儀。其中，脈沖式掃描儀測程最遠(yuǎn)，但精度隨距離的增加而降低；相位式掃描儀適合于中程測量，測量精度較高；三角測量式掃描儀測程最短，但精度最高，適合于近距離、室內(nèi)測量。無論是基于何種原理的掃描儀，其工作原理都是通過測距系統(tǒng)獲取每個(gè)掃描點(diǎn)到掃描儀的距離S，再配合測角系統(tǒng)獲取掃描的水平角α和垂直角φ，如圖1所示。利用公式（1）即可計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)（如p點(diǎn)）與掃描儀的空間相對三維坐標(biāo)信息Xp、Yp、Zp，然后在掃描的過程中利用本身的垂直和水平馬達(dá)等傳動裝置，完成對目標(biāo)物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（戚萬權(quán)，2013；王珊等，2011；張啟福等，2011）。

圖1 三維掃描儀基本原理Fig. 1 Principle of 3D Laser Scanning

整個(gè)三維掃描的系統(tǒng)流程包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。其主要內(nèi)容有：方案制定、外業(yè)掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、物體模型重建和數(shù)字化展示等，如圖2所示。在進(jìn)行野外掃描時(shí)，通過對現(xiàn)場掃描環(huán)境的勘察，選擇掃描儀和拼接標(biāo)靶的架設(shè)位置，以確保各站掃描的數(shù)據(jù)能夠覆蓋整個(gè)掃描區(qū)域，同時(shí)，需要掃描一定的公共標(biāo)靶，實(shí)現(xiàn)不同站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過專業(yè)的后處理軟件進(jìn)行處理，為客戶提供豐富的成果，如各種二維線畫圖、三維模型、動畫效果等。

圖2 三維激光掃描儀工作流程Fig. 2 Working flowchart of 3D Laser Scanning

2 三維激光掃描儀在蘆山地震中的應(yīng)用

在蘆山地震應(yīng)急中使用的是Leica ScanStation C10三維激光掃描儀，如圖3所示。該儀器可以實(shí)現(xiàn)300m半徑的全景掃描，掃描速度可達(dá)5萬點(diǎn)/秒，掃描精度達(dá)到2mm，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示（LeicaGeosystem，2011）。

表1 徠卡ScanStation C10主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technical parameters and configuration of Leica ScanStation C10

由于蘆山地震應(yīng)急工作的主要內(nèi)容是烈度評估，所以三維激光掃描儀的應(yīng)用也是重點(diǎn)圍繞該內(nèi)容而展開。利用三維激光掃描儀采集了龍門鄉(xiāng)街道、寶盛鄉(xiāng)玉溪村和蘆山縣老街3個(gè)調(diào)查點(diǎn)的震害信息，包括建筑結(jié)構(gòu)的三維點(diǎn)云圖和震害影像資料，以此作為烈度評估的依據(jù)之一。

圖4所示為以寶盛鄉(xiāng)玉溪村為調(diào)查點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行震害掃描。地震現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜，街區(qū)中建筑物的布局往往并不規(guī)整，另外余震較多，人員嘈雜，車流量較大也會對掃描工作造成一定的影響。在進(jìn)行掃面工作之前，需要認(rèn)真選擇掃描站點(diǎn)，提高工作質(zhì)量和效率。為了獲取較為全面的震害信息，往往需要對一個(gè)調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行多站掃描。經(jīng)過對玉溪村建筑物分布和震害情況的分析，沿該村主干道確定了3個(gè)站點(diǎn)（圖4中黃色三角形標(biāo)示的位置），用三維掃描儀對道路兩旁的建筑進(jìn)行三維坐標(biāo)和影像掃描。然后通過Leica Cyclone軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接和去噪處理，即可得到玉溪村主干道兩旁建筑整體的點(diǎn)云圖（圖4）。

圖4 寶盛鄉(xiāng)玉溪村的震害掃描及三維點(diǎn)云圖Fig. 4 Scanning in the field at Yuxi village of Baosheng township and its 3D point cloud image

與普通相機(jī)獲取的影像不同，通過這樣的點(diǎn)云圖可以對每一棟實(shí)體建筑進(jìn)行精確測量，包括建筑高度、寬度，構(gòu)件尺寸，墻體裂紋等。圖5所示為蘆山縣城一典型民居破壞情況，通過三維掃描儀可以較為便捷的測量得到該建筑的特征信息，如底層層高為3300mm，二層層高為2900mm，墻厚為240mm，二層窗戶尺寸為1500mm×1400mm等。特別是對于人不易直接接觸的二層，可以很容易的精確測量得到重要的結(jié)構(gòu)破壞信息，如二層右側(cè)墻體外閃最大為198mm，墻體最大裂縫寬度為63mm等，這些都將為后期開展結(jié)構(gòu)建模分析及災(zāi)害情景重現(xiàn)提供更為有效的數(shù)據(jù)支撐。

將調(diào)查點(diǎn)的影像資料附加至點(diǎn)云上，便可以得到調(diào)查點(diǎn)的三維實(shí)景圖像，并通過Sitemap的形式給出，以方便瀏覽和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。圖6所示為以Sitemap形式給出的寶盛鄉(xiāng)玉溪村三維實(shí)景圖像，既可以通過鼠標(biāo)滑動實(shí)現(xiàn)視角的改變，也可以通過選擇儀器的位置在不同測站之間進(jìn)行視角切換。另外，Sitemap圖還提供了精確測量和標(biāo)記的功能。可以看出，通過三維激光掃描技術(shù)可以將調(diào)查點(diǎn)的震害信息直觀而又全面地展現(xiàn)出來，為烈度評估和震害資料的保存提供了多元化的手段。

圖5 典型民居破壞情況實(shí)景圖像Fig. 5 Real sitemap on damage of one typical house

圖6 寶盛鄉(xiāng)玉溪村的Sitemap三維實(shí)景圖像（測站3的視場）Fig. 6 3D real sitemap of Yuxi village of Baosheng township（field perspective of scanstation 3）

3 三維激光掃描儀在地震中的應(yīng)用前景分析

強(qiáng)烈地震不僅會造成建筑、橋梁等工程結(jié)構(gòu)的破壞，也會導(dǎo)致一系列次生災(zāi)害的發(fā)生，如：山體滑坡、山體崩塌、泥石流等，這些次生災(zāi)害又會進(jìn)一步造成道路的損毀和阻塞，大大增加了救援工作的難度，阻礙了救援工作的順利展開。三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)正好滿足了快速獲取大量精確數(shù)據(jù)資料的要求，如何合理地運(yùn)用該技術(shù)為應(yīng)急救援贏得寶貴時(shí)間，以及為震后的科學(xué)考察工作提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，進(jìn)而為后續(xù)的科學(xué)研究提供寶貴的資料，值得深入思考和探討。

（1）震后橋梁的評估和監(jiān)測

震后對重要橋梁進(jìn)行損傷評估并確定其破壞等級是保障救援工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)之一。橋梁震害主要表現(xiàn)為落梁、擋塊損壞、上部結(jié)構(gòu)橫向和縱向移位、支座和伸縮裝置損壞、橋墩移位等。運(yùn)用三維激光掃描儀對受損橋梁進(jìn)行整體掃描，借助專業(yè)軟件對所獲得的點(diǎn)云進(jìn)行拼接和建模，可以獲取橋梁的精確三維信息，為評估人員確定橋梁的受損情況及其破壞等級提供可靠的資料。另外，通過比較不同時(shí)段的多次掃描結(jié)果，可以監(jiān)測橋梁的細(xì)微變形，為分析余震對橋梁的影響提供依據(jù)。

（2）山體滑坡調(diào)查和監(jiān)測

地震發(fā)生后，為了快速恢復(fù)交通和基礎(chǔ)設(shè)施，并避免二次次生災(zāi)害的發(fā)生，需要對山體滑坡進(jìn)行排查和監(jiān)測，其工作量巨大，工作環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的測繪方式往往效率比較低，精度也不高。三維激光掃描技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)快速測繪、精確測量，高效率獲取完整的滑坡三維信息點(diǎn)云數(shù)據(jù)。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對滑坡進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)及滑坡體表面局部危險(xiǎn)巖體進(jìn)行定位。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步獲取危險(xiǎn)巖體或者變形體的長度、寬度等數(shù)據(jù)，有助于了解滑坡體的破壞程度和估算方量。利用掃描獲取的滑坡體三維數(shù)據(jù)由專門的地形生成軟件進(jìn)行處理，可以得到常用的地質(zhì)等高線圖件。另外，通過定期多次掃描，可以監(jiān)測滑坡體的變化情況，為災(zāi)害治理提供可靠的資料。

（3）堰塞湖地形調(diào)查和監(jiān)測

采用三維激光掃描儀進(jìn)行堰塞湖的地形調(diào)查時(shí)，首先從不同角度多次掃描以獲取大量堰塞湖地表的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合高精度GPS所測量的特征點(diǎn)的大地坐標(biāo)，可以建立堰塞湖的數(shù)字地形模型。根據(jù)三維地形模型及掃描數(shù)據(jù)分析可得堰塞體的高度、壩體寬度、堰塞體體積、堰塞湖上下游水位等信息，為搶險(xiǎn)的科學(xué)和快速決策提供有力的技術(shù)支撐。

（4）典型工程結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查和測量

三維激光掃描技術(shù)為典型工程結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查和科考提供了新的手段。不僅可以全方位獲取工程結(jié)構(gòu)震害情況的三維影像，而且可以精確測量工程結(jié)構(gòu)破壞的定量參數(shù)，如樓層側(cè)移、裂縫寬度、橋面的位移等。根據(jù)對工程結(jié)構(gòu)三維掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以生成結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，為數(shù)值分析模型的建立提供便利條件和精度保障。此外，工程結(jié)構(gòu)破壞的定量參數(shù)也可以作為數(shù)值分析結(jié)果的參考。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)已在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，并且具有很好的應(yīng)用前景，然而該技術(shù)在地震工程方面的應(yīng)用還不夠深入。本文通過三維激光掃描儀在蘆山7.0級地震現(xiàn)場工作中的應(yīng)用，總結(jié)和探討了該儀器在地震應(yīng)急及科學(xué)考察中的應(yīng)用前景。在蘆山地震中的實(shí)踐應(yīng)用證明，三維激光掃描儀可以為烈度評估提供更為多元化的手段，特別是精確有效地保存了地震后建筑結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)。基于三維激光掃描技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，其有望在地震應(yīng)急和科考中發(fā)揮更加明顯的作用，包括震后橋梁的評估和監(jiān)測、山體滑坡調(diào)查和監(jiān)測、堰塞湖地形調(diào)查和監(jiān)測，以及典型工程結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查和測量等方面。

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The Applications of 3D Laser Scanning Technology in Seismic Damage Survey

Chen Bo， Xu Chao and Wen Zengping
（Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China）

Three-dimensional（3D）laser scanning technology has been developed in recent years. As an effective means of collecting spatial data， this technology plays an increasingly important role in many fields， with its fast，accurate， non-contact measurement and other advantages. This article briefly introduces the principle and workflow of three-dimensional laser scanner. A case study of Lushan 7.0 Earthquake is provided to summerize the equipment's application in seismic damage survey and its work characteristic in post-earthquake field. Based on this，practical studies have been carried out on the collection， splice， process and virtual reproduction of point cloud data of real damaged buildings. Furthermore， the potential applications of the instrument are also discussed with the earthquake emergency and scientific investigation.

3D laser scanning；Lushan earthquake；Seismic damage survey；Virtual reproduce；Application prospect

地震行業(yè)基金（201408014-08）、國家科技支撐（2015BAK18B01，2012BAK15B01-07）、國家自然科學(xué)基金（51378477）和中國地震局地球物理研究所基本科研專項(xiàng)（DQJB13B01）共同資助

2014-01-14

陳波，男，生于1987年。助理研究員。主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌及地震動輸入確定研究。E-mail：chenbo@cea-igp.ac.cn

溫增平，男，生于1964年。研究員。主要從事地震工程學(xué)研究。E-mail：wenzp@cea-igp.ac.cn