三維激光掃描技術在地質災害應急測繪中的應用

胡 磊, 彭勁松, 葉 波, 陳海佳

(1. 武漢海達數云技術有限公司,湖北 武漢 430023； 2. 湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005)

中海達·開啟智時代

三維激光掃描技術在地質災害應急測繪中的應用

胡 磊1, 彭勁松2, 葉 波1, 陳海佳1

(1. 武漢海達數云技術有限公司,湖北 武漢 430023； 2. 湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005)

通過研究三維激光掃描儀快速獲取突發性地質災害的地形數據，結合激光點云分析軟件，將三維數據和二維數據相比，并以真三維進行展示和分析，結合應急指揮解決突發性地質災害應急高精度測繪的需求。

三維激光掃描；地質災害；應急測繪

地質災害的分類就地質環境或地質體變化的速度而言，可分突發性地質災害與緩變性地質災害兩大類。對于緩變性地質災害，可采用多次固定觀測數據進行對比分析，階段性的激光點云數據形成對比分析形變量，達到預警值則需進行地質災害發生警報，做到可控性災害防治。突發性地質災害是最難以預警的，災害發生后，需要快速、直觀、高精度地獲取災害地形基礎數據進行應急處理，三維激光設備恰好能快速獲取現場數據，結合激光點云分析軟件，快速生產地形圖、方量等信息用于特種應急指揮，可為應急災害提供精準的基礎數據。

1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術是從復雜實體或實景中重建目標的全景三維數據及模型，它通過高速激光掃描測量的方法，獲取目標的線、面、體、空間等三維實測數據并進行高精度的三維逆向建模。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”。

本次研究采用中海達HS1200三維激光掃描儀進行數據獲取，HS1200采用脈沖式激光測距的基本原理，如圖1所示，在地質災害應急方面與傳統測繪技術相比有以下優勢特點：

圖1 三維激光掃描儀工作原理

(1) 非接觸測量。三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數據，可以用于解決危險目標、環境等特殊情況，最遠距離可達1200 m。

(2) 數據采樣率高。目前，采用脈沖激光或時間激光的三維激光掃描儀采樣點速率可達到50點/s，可見采樣速率是傳統測量方式難以比擬的。

(3) 主動發射掃描光源。三維激光掃描技術采用主動發射掃描光源(激光)，通過探測自身發射的激光回波信號來獲取目標物體數據信息，因此掃描過程中，可以實現不受掃描環境時間和空間的約束。

(4) 高分辨率、高精度。三維激光掃描測量技術可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，從而最高可達到5 mm高分辨率的三維激光數據，對于單點測量精度也完全滿足一般測量需求。

2 技術方案

本次工作主要內容是利用三維激光掃描技術對貴州威寧縣滑坡點監測及四川省綿竹市小崗劍滑坡點監測，采集三維激光數據，生成地表模型并提取研究區地表分類數據。整體技術方案(如圖2所示)如下。

圖2 三維激光掃描技術方案

2.1 采集方案制定階段

采集方案制定是指整個工作總體及技術方案制定過程，針對貴州威寧縣滑坡點及四川綿竹市小崗劍滑坡點均采用三維激光掃描儀遠距離獲取數據，HS1200三維激光掃描儀具有后視定向功能，可高精度獲取絕對坐標系的激光點云數據，經過初步踏勘，擬定合適的架站位置，盡可能全覆蓋測區，設置合理的激光參數，制定詳細的實施方案。

2.2 外業數據采集階段

根據現場勘查的結果，貴州威寧縣滑坡點采用3個測站點進行數據獲取，分別為600 m處2個遠距離測站點獲取整體滑坡，100 m處1個近距離測站點獲取滑坡受災山村地形。

兩次外業數據采集均為絕對坐標數據，采用RTK結合HS1200后視定向功能獲取了WGS-84坐標系下的絕對激光點云數據。如圖3所示。

2.3 內業數據處理階段

通過HD_3LS_SCENE軟件可將點云導入，同時將RTK獲取的絕對坐標信息以文本格式導入，軟件將自動識別后視標靶并匹配絕對坐標可自動將點云匹配至WGS-84坐標系下。

圖3 原始三維激光數據

再通過自動去除噪點，通過激光多次回波信息，提取出地表數據及植被信息，通過對地表激光點云數據構TIN，制作出DEM數據。如圖4所示。

圖4 基于點云數據生成的DEM

3 成果應用及分析

3.1 基于點云數據繪制裂縫線

在山體滑坡監測中，實時掌握裂縫所在位置、裂縫寬度對危巖應力分析尤為重要。中海達的點云后處理軟件中可清晰分辨裂縫體所在位置并進行量測。如圖5所示。

3.2 任意區域自動化計算

基于點云數據可自動生成DEM，由此可獲取任意區域面積，其中DEM是零階單純的單項數字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上生成。如圖6所示。

圖6 任意區域自動計算

3.3 提取山體任意橫斷面線

由于點云數據具有高精度的點云坐標信息，因此可在點云后處理軟件中制定橫斷面，即可得到橫斷面線。

4 結 語

本項目研究已經完全滿足使用需求，從中可以看出三維激光掃描技術的最大優點即快捷、方便、準確、動態、實時、全數字化，具有高精度、測量方式靈活、不接觸等特點，可以迅速獲取對象物體的空間三維數據，以便對其模型進行數據處理、分析，或者為相應的數字化產品提供基礎數據源；具有數據精確、測量時間短、工作效率高的特點，可以真實反映現實環境，實現精細化測繪，給當地各級部門提供了真實可靠的災情數據。