三維激光掃描技術在地質災害體測繪生產中的應用

■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術在地質災害體測繪生產中的應用

■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新興測繪技術，該技術已廣泛應用于工程建設與物體三維測量等測繪及相關領域，具有高效率、高精度的獨特優勢。本文在介紹三維激光掃描儀的應用、研究現狀及工作原理的基礎上，通過地面三維激光掃描儀實地測量，獲取此次泥石流滑坡高精度三維地理信息數據，為以后的災后重建與防御工作提供第一手資料。在野外調查的基礎上，分析了此次泥石流災害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災害的成因和未來發展趨勢。

三維激光掃描儀 泥石流 測量 地質災害

地面三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新興技術，但是在一些國家和領域已經發展成熟并得到廣泛應用。地面三維激光掃描系統集成了多種高新技術的新型空間信息數據獲取手段與工具，國際上對這一技術的研究與應用已有一定的成果，而國內尚處于起步階段，尤其在地災點區域的測繪生產方面。近些年，我國自然災害頻發，滑坡、泥石流等地質災害經常發生，及時獲得這些地災點的三維地理信息對于其災后重建與防御工作顯得尤為重要。由于這些地災點多高陡險峻，次生災害隨時發生，對于這些地災點應用傳統的測繪和地質調查方法不僅費時、費力并具有較高危險性，而且通常很難得到令人滿意的結果。三維激光掃描技術在變形監測、地形測量、工程開挖、數字地形建模、地質調查、減災防害等方面的應用，使筆者的工作方法與思路得到了擴展。中、長距離三維激光掃描技術的出現與發展，為地災點的調查研究提供了一種新的辦法，是對傳統測量方法的有益補充。本文在對該項技術的現狀進行簡單介紹的基礎上，結合工程實例，闡述應用該項技術快速獲取泥石流地災點高精度三維地理信息數據，為以后的災后重建與防御工作提供第一手資料。

1　三維激光掃描的優點

與傳統的儀器相比，三維激光掃描儀在使用上具有非常顯著的優點，主要體現在以下幾個方面：①可以全天候作業。由于采用的是激光，無需太陽光，因此，三維激光掃描儀在黑暗的環境中照樣可以正常工作，例如隧道中或地下礦井中。②掃描的數據密度可以調節，根據不同距離，點間距可設小于1 mm或大于1 000 mm。③高精度。三維激光掃描儀的精度可以工作的范圍內可達到1 cm，模型化后的精度更可達3 mm，可以充分滿足大部分的測量需求。

2　三維激光掃描與傳統測量的區別

與全站儀等單點采集三維數據的方法相比，三維激光掃描儀無需設置反射棱鏡，無接觸測量，在人員難以企及的危險地段使用優勢明顯；突破了單點測量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的海量點云數據，對目標描述細致、采樣速率高。這都是傳統方法難以實現的。但缺點是比全站儀的測量精度低。三維激光掃描儀與以光學攝影測量為原理的近景攝影測量及航空攝影測量的獲取結果不同：攝影測量獲取的是影像照片，而激光掃描獲取的是三維點云數據；獲取的數據格式不同：攝影測量數據拼接采用相對或絕對定向方式，三維激光掃描采用數據的坐標匹配方式。另外，兩者拼接各測站間數據的方式、解析方法、測量精度、測量環境要求（攝影測量對環境光線、溫度要求高）和數據處理方式也不同。

3　地面三維激光掃描儀及其工作原理

地面激光掃描儀是一個由多個部件組成的復合系統，包括地面三維激光掃描儀、數碼相機、后處理軟件、電源以及附屬設備，通過非接觸式高速激光測量方式獲取地形或者復雜物體的幾何圖形數據和影像數據，最后通過后處理軟件對采集的點云數據和影像數據進行處理轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，并可以以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數據庫的數據源和不同應用的需要。三維激光掃描技術，通過內部的激光脈沖發射器向目標物發射激光脈沖，反光鏡旋轉，發射出的激光脈沖掃過被測目標信號接收器接收來自目標體反射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間可以獲得被目標體到掃描中心的距離同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標（云點），進而轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型（圖1）。

圖1　掃描點坐標計算原理

3.1外業工作流程

一般來說，由于掃描儀掃描范圍的限制，三維激光掃描儀很難從一個方向掃描一次便可得到掃描體的完整點云數據，反映一個掃描實體信息通常要由若干幅掃描才能完成。因此，掃描中要求相近場景的2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對掃描得到的點云數據進行拼接匹配。故在掃描前應對掃描場地進行初步踏勘，合理設置儀器的架設方案。科學合理地架設掃描機位，對采集高質量三維數據、提高測量精度、全面反映場景細節有著十分重要的意義。掃描過程中可以根據工程需要與現場條件配合定位系統（GPS）一起使用，對掃描場景內的明顯地物點、掃描機位點進行精確的坐標測量，以便在后期處理中進行大地坐標轉換。

3.2實地踏勘選點

結合實際，選擇合理的測量控制點。選點時應:（1）確保兩點之間盡可能通視，以便能有一定的公共區域；（2）選擇地理位置較高視野廣闊的點，從而獲取更多的有效數據。

3.3數據采集

（1）調試相機。根據測量環境的光亮成度來調節標配外掛單反相機的曝光時間，以便獲取更加真實的影像數據。此次掃描工作正處十月中旬，入冬的四川氣候條件濕潤，山間雨霧較多，所以單張照片拍照時長應相對長一些。

（2）架設儀器并記錄相關信息。將掃描儀架設于踏勘的控制點上，對中整平，記錄并量取設備儀器高。

（3）操控儀器采集數據。具體步驟包括:接通電源、連接筆記本電腦、新建項目、開始掃描、搬站。在每個站點開始掃描之前，需對站點參數進行掃描參數設置。首先目測掃描站點位置到目標區域的大概距離，從而設置掃描模式。由于滑坡面積較大，所以本次測量設置的掃描模式都是1200m的遠距離掃描模式，便于獲取離測站點較遠的滑坡數據。同時勾選影像獲取，打開姿態評估功能鍵（記錄反北方向角）。需要說明的是，每站掃描時長約為12 mm左右，掃描時間的長短取決于2個方面:第一，設置的點密度大小，點云密集比點云稀疏所用掃描時間較長（本次掃描1200m的地方點云密度為15cm）。第二，設置的掃描距離長遠，掃描越遠的地方比掃描較近的區域所用時間較長（本次掃描距離模式為1200 m長遠距離）。（4）GPS—RTK獲取控制點坐標由于臨時選點，測站點沒有坐標，本工程通過GPS獲取臨時測站點大地坐標值。

（4）定位。三維激光掃描技術可以深入到復雜的場景當中去，快速、準確地獲得掃描場景的三維數據。但三維激光掃描技術并不是無所不能，技術上還有待進一步完善。比如在場地定位問題上，目前都是通過大地坐標轉換來解決的，這也就要求在激光掃描的同時要進行若干次精確的大地坐標測量。在一些大型水電邊坡工程中，雖然已經存在許多大地坐標控制點，但在現場掃描工作中發現，由于復雜的施工場地及起伏的地形限制，根據掃描獲得的點云數據要準確地發現并識別坐標控制點的水泥樁還存在很大困難，這也是造成定位誤差的一個重要原因。工程應用中的掃描數據定位的精度，某些情況下直接影響著測量的最終結果。換言之，如果不能進行大地坐標轉換或定位不準，那么在掃描數據中就不能進行準確的巖體產狀、垂向高差等量測。

3.4內業數據處理流程

3.4.1坐標轉換

由于激光掃描儀測量得到的數據所采用的三維直角坐標系與實際的坐標系之間的歐拉角可能很大。儀器自帶的GPS可以使掃描得到的數據獲得測站點的大致坐標和反北反向角，通過該坐標和反北反向角可以把三維激光數據糾正到大致正確位置。

3.4.2多站點調整

RiScan Pro軟件中多站點調整功能可以把粗拼接的兩個面進行一個精細的擬合，達到理想平差效果。

3.4.3植被過濾

設備采用代表激光掃描儀發展方向的全波形數字化及實時處理技術，具有獨特的多回波功能，使激光可以更多地穿透植被，以獲取更多地面點數據，配套軟件RiScan Pro對多回波數據可以實現一鍵過濾植被的功能，使內業處理更加簡單高效。成果提交掃描得到的點云數據，首先要剔除噪點，然后用剔除噪點后的點云數據生成數字高程模型（DEM），得到的DEM成果（圖3），可在土木工程、地球科學等很多方面應用，而本工程主要是應用基于DEM的地形地貌分析功能。

圖3　最終成果圖

3.4.4成果應用

圖4　泥石流區域DEM模型

在野外調查的基礎上，分析了此次泥石流災害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災害的成因和未來發展趨勢（圖4）。研究表明，松散物質的極大豐富和堵潰是導致此次特大泥石流規模巨大的主要原因;此地在短期內泥石流仍會頻發，但規模要比此次泥石流小（圖4）。

4　結論

三維激光掃描技術是測繪領域的新技術，它突破了傳統單點測量的數據處理方法，為測繪領域提供了一條新的研究方向，其出現與發展是“繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新，將使測繪數據的研究內容、方法進入新的發展階段”。將三維激光掃描儀引入到對地災點的測繪生產是對傳統地質災害調查方法的有益擴展與補充，在極大提高工作效率的同時提高了地質災害調查的精度，并且在特定條件下可以提供傳統方法難以獲得的數據資料。

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P694[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-292-2