LiDAR技術在滑坡地質災害中的應用

孫濤

摘 ?要：隨著空間數據應用領域的不斷擴大，對獲取空間數據的要求也越來越高。傳統遙感技術獲取的數據點密度低，且效率低、費用高、生產周期長，已不能滿足當前對空間數據的需求。LiDAR發射的激光能部分地穿透樹林的遮擋，直接獲取高精度的地表三維地形數據，彌補了傳統遙感技術和大地測量方法在高程數據獲取及快速自動化處理方面的缺點和不足。LiDAR具有的高空間分辨率、強抗干擾能力以及高自動化等特點，使其不僅能夠快速獲取高程數據，而且在地形測繪、城市三維建模、環境監測、工程建設、地球科學及行星科學等諸多領域具有極好的發展前景和很強的競爭力。近年來在滑坡地質災害的識別與監測中也得到了廣泛的應用，并取得了一系列的成果與新進展。

關鍵詞：LiDAR;滑坡;災害識別;災害監測

1. LiDAR技術簡介

LiDAR系統主要包括4部分：①激光掃描儀（LiDAR的核心），測量激光發射點與地面激光腳點之間的距離;②動態差分GPS（DGPS），記錄瞬間激光和數碼相機開啟脈沖的時間并獲取LiDAR的三維坐標;③激光測量單元（IMU），測定激光掃描裝置的主光軸的空間姿態參數;④數碼相機，獲取地面的地物地貌真彩或紅外數字影像信息。根據載荷平臺的不同，LiDAR可以分為地面、車載、機載和星載4種類型[1]。

2. LiDAR技術在滑坡地質災害中的應用

LiDAR技術以其獨特的優勢和高精度的成果，被廣泛應用于土地利用、地形測繪、森林調查、城市規劃及地質環境變化等多個領域，展示出了良好的應用前景。目前在地質領域用于滑坡識別與監測方面并取得了一系列的成果與新進展。

在地質災害調查研究中，傳統光學衛星遙感調查技術、無人機低空航拍遙感等技術一直是地質災害調查人員必不可少的技術手段。機載LiDAR測量技術是激光測距儀器主動發射脈沖信號，可部分穿透植被到達真實地表，通過點云數據去噪、濾波，剔除植被點云層數據后，可快速構建高精度地形地貌，在無地面控制點情況下數據的相對精度可達厘米級[2]。從表2.1 中可以看出機載LiDAR技術不但作業效率高，精度也高，無論與航空攝影還是與傳統測量相比，機載LiDAR 都具有較大優勢。

2.1 滑坡識別與監測研究

滑坡是一種常見的地質災害類型，常給人類活動造成嚴重的損害，因此分析研究滑坡對滑坡災害預警以及減災防災具有重要意義。LiDAR 技術不僅能為滑坡災害研究提供高精度的DEM，還可以利用不同時相的 LiDAR數據對滑坡變形進行動態監測，了解滑坡體在一定時間范圍內的變形趨勢和特征，并精確計算變形量，從而提高滑坡監測的精度和效率。

準確識別滑坡并確定其具體分布范圍和體積是科學評估滑坡災害危險性與危害性的重要前提[5]。在從大空間尺度識別滑坡并確定其分布與體積方面，LiDAR 技術與常規測量技術相比具有獨特優勢。LiDAR技術能夠生成高精度的 DEM，并基于此高精度的DEM對滑坡進行定性和定量分析，實現滑坡邊界的圈定。定性分析是利用 LiDARDEM 生成一系列不同視角下的山體陰影圖，它能夠很好地表達地形的立體形態。定量分析是利用 LiDARDEM 提取精細微地形地貌參數分析滑坡要素。借助于不同方位角的LiDAR山體陰影圖及坡度和粗糙度圖，能夠準確地識別滑坡滑動的范圍，并準確圈定出滑坡后緣、滑坡側緣、滑舌等滑坡要素。

國外學者[5]利用機載 LiDAR 技術對西雅圖地區的滑坡進行了詳細填圖，由于 LiDAR技術能夠透射植被，研究發現使用LiDAR數據圈定的滑坡個數是傳統航空攝影測量圈定的4倍之多，識別出很多以前利用航片解譯不能識別的滑坡，表明了LiDAR技術在滑坡識別中的巨大優勢。馬洪超等[4]對2008年汶川地震引起的都江堰—汶川公路滑坡進行機載LiDAR 測量，并利用LiDAR點云生成了DEM數據，對滑坡的位置、體積和土石方等參數進行了估算，提高了效率，改進了勘察工作的安全性，表明 LiDAR 技術在滑坡災害應急響應中的重要性。

2.2滑坡變形動態監測

滑坡變形動態監測主要包括地表位移監測和地下位移監測。滑坡體地表變形監測是對滑坡體地表進行絕對位移和相對位移監測。基于 LiDAR 技術的滑坡地表位移監測主要對LiDAR獲得的滑坡體表面的點云數據進行預處理，構建滑坡體表面的DEM，通過不同時期DEM 的整體對比，分析監測點的變形信息和特定區域的土方量變化，進而預測坡體的變形趨勢和未來滑坡量的大小。LiDAR 數據最早用于滑坡監測出現在。劉圣偉等[3]以長江三峽工程庫區的樹坪滑坡為研究對象，利用2006年和2009年兩期機載LiDAR數據對滑坡的變形情況進行了初步分析，主要通過比較不同特征點之間的坐標差在兩期機載LiDAR測量結果中的變化進行滑坡變形監測，研究得到的樹坪滑坡的變形特征與前人研究結果一致，表明機載LiDAR在滑坡變形監測方面有較好發展前景。然而對于有植被覆蓋的滑坡體，地面LiDAR的監測精度有別于無植被覆蓋的巖體邊坡。Nancy F Glenn等[6]提出了一種基于融合概率變化檢測和滑坡地表特征提取的方法，利用多時間光探測與測距（LiDAR）衍生的數字高程模型（DEM）繪制滑坡活動地表變化。

3. 展望

LiDAR 技術發展至今，已逐漸成為一種重要的信息獲取技術。作為一種年輕的技術，LiDAR還有很多發展空間，特別是在數據處理算法以及軟件和系統的開發等方面，包括光學遙感、微波遙感、多光譜遙感在內的遙感技術所獲取的數據都具有各自的特點，因此如果將 LiDAR數據與測區的地形圖、規劃圖等GIS數據、影像數據和多光譜數據等相結合就能充分發揮多源遙感數據的優勢。LiDAR技術在地質環境中的應用凸顯了其巨大的潛力。

在滑坡識別方面，雖然可以利用 LiDAR 生成的高精度DEM計算坡度、坡向、地表粗糙度等，利用小波分析、傅里葉變換等方法開展地形的精細參數特征研究，但是這些參數在同一研究區并沒有被系統地使用過，缺乏基于精細地表參數的滑坡識別方法規律性研究和不同成因類型滑坡識別研究。總體而言，LiDAR作為一種全新的遙感技術，已經躋身先進的集成測量技術方法之列，具有極好的發展前景和很強的競爭力。

參考文獻

[1] ?陳濤、張培震、劉靜等，機載激光雷達技術與海原斷裂帶的精細地貌定量化研究，科學通報，2014，59（14），1293～ 1304.

[2] ?郭向前，郝偉濤，李響. 基于機載 LiDAR 技術的研究及其展望 [J].測繪與空間地理信息，2013，36（2）：69～72.

[3] ?劉圣偉，郭大海，陳偉濤，等.機載激光雷達技術在長江三峽工程庫區滑坡災害調查和監測中的應用研究[J].中國地質，2012，39（2）：507 ～ 517

[4] ?馬洪超，姚春靜，張生德.機載激光雷達在汶川地震應急響應中的若干關鍵問題探討[J].遙感學報，2008，12.

[5] ?Mora O，Lenzano M，Toth C，et al. Landslide Change Detection Based on Multi-Temporal Airborne LiDAR-Derived DEMs[J]. Geosciences，2018，8（1）.

[6] ?Nancy F Glenn，David R Streutker，D John Chadwick，et al. Analysis of LiDAR -derived topographic information for characterizing and differentiating landslide morphology and activity [J]. Geomorphology，2006（73）：131-148.