基于空地激光點云的隧道滑坡應急監測

李俊峰，汪 璐，鄧 非，陳 屹，程 前

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042；2.寧波市阿拉圖數字科技有限公司，浙江 寧波 315042；3.武漢大學，湖北 武漢 430072）

2019第9 號臺風“利奇馬”在浙東沿海登陸，給寧波帶來了嚴重影響，市內多地發生內澇、地質滑坡、泥石流等嚴重災害。為迅速了解災情，在寧波市自然資源和規劃局的領導下，寧波市測繪設計研究院充分發揮專業優勢，迅速派出車載移動測量組，趕赴鄞州角洞岙隧道受災點，開展災后應急測繪監測作業。對角洞岙隧道（如圖1所示）進行滑坡監測，即運用三維激光掃描技術獲取滑坡點三維點云數據，監測滑坡點形態，并與2015年我院就通過直升機獲取的機載激光點云做比對，估算滑坡方量。并迅速上報市局指揮組，為相關區域災后救援、災后重建提供了精確的監測數據，同時，可記錄滑坡對隧道和洞口的擠壓變形的原始數據，作為日后檢測或維護的依據，并為日后地質災害監測積累了寶貴的第一手測繪資料。

圖1 角洞岙災害現場圖

1 數據采集設備

角洞岙隧道滑坡監測采用的是世界上最大的激光掃描儀生產廠家——奧地利RIEGL公司生產的RIEGL VZ-400三維激光掃描儀（如圖2所示），其主要參數如表1所示。

表1 RIEGL VZ-400三維激光掃描儀主要參數

圖2 RIEGL VZ-400三維激光掃描儀

三維激光掃描測量的方法就是大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。地面三維激光掃描和全站儀的測量原理相同，都是以儀器中心為坐標原點，通過測角和測距獲取地面目標相對于坐標原點的三維坐標。不同的是地面三維激光掃描技術采用全自動高密度的面數據獲取方式，它不僅獲得點云的三維空間信息，同時獲得地物目標的反射強度信息，從而實現對地物表面信息的高密度數據采集。主要特點如下：

1）使用簡單、掃描快速、操作安全、應用范圍廣泛。

2）數據非常詳細，點云影像清晰，高程可分層設色。

3）精確高速的數據捕獲，減少數據采集和分析的回轉次數。

4）對掃描區域進行的遠程、高速掃描，使效率最大化。

5）一次掃描后可以在點云模型上進行反復的“模型測繪”。

2 外業數據采集

1）首先踏勘測區，結合實際，選擇合理的控制點。（選點需注意：第一，選點時確保兩點之間盡可能通視，有一定的重疊區域；第二，選擇地理位置較高視野廣闊的點，這樣獲取的數據也就越多）本次重點測量范圍內所選 3 個控制點。

2）數據獲取。架設三腳架，對中整平掃描儀，量取并記錄儀器高，打開內置 GPS 實時定位，連接筆記本電腦操控掃描；此次滑坡共掃描 3 站，平均每站掃描用時為 5 min掃描視場角為全景360°×100°掃描，掃描半徑為超長距離 350 m，點云在滑坡處的分辨率為2 cm 且排列整齊，滿足監測需求。

3）待每站掃描結束后，利用 GPS-TK 獲取每一個控制點的三維絕對坐標值。

3 內業數據處理

1）激光點云拼接。激光點云拼接的過程，實質是將點云的坐標系統由掃描儀自身坐標系轉換為絕對坐標系。由于RIEGL VZ-400每一次掃描的數據都是使用其自身所設定的掃描儀坐標系統SOCS，所以需要利用每一站的后視靶標來將點云坐標轉換為絕對坐標，相當于空間后方交會，從而將所有點云均置于統一的地理坐標系下，拼接采用的是RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO。拼接完成后采用軟件自帶的MSA平差模塊對點云數據進行整體平差，拼接后的滑坡區域點云如圖3所示。

圖3 拼接后的滑坡區域點云

2）點云裁切、噪聲剔除。在點云數據獲取過程中，因為采用的是360°全方位掃描，所以不可避免地產生了較多冗余數據以及由其他原因產生的噪聲數據等，因而需要對點云數據進行裁切并剔除噪聲點。將激光掃描數據逐站導入處理軟件，通過軟件的矩形、多邊形選擇點云等功能選中冗余及噪聲數據。

3）點云濾波。為了得到真實的地表數據，需要進行點云的地表點和非地表點分離刪除，也即點云數據的濾波。在創建一個光柵矩陣模型并覆蓋整個測區后，根據柵格網設置密度的節點尋找到該有效節點Z值最低的點數據，通過這點再建立一個粗略的地形模型，用于分離地表及非地表點，地面點云如圖4所示。

圖4 濾除地表附著物后的地面激光點云

4）將2015年通過直升機載體掃描獲取的機載點云與本次地面掃描獲取的點云數據疊加，效果如圖5所示，其中，紅色區域為機載點云，白色為地面激光點云，二者之間的空洞區域即為滑坡。

圖5 機載與地面點云疊加顯示效果

5）以兩者最低面下移1 m為方量計算基準面，基于機載點云計算得到方量為2 444.590 m3，并創建邊坡三維模型（如圖6所示）。

圖6 基于機載點云的三維模型

6）保持方量計算基準面不變的情況下，基于地面點云計算得到的方量為5 284.953，并創建邊坡三維模型（如圖7所示）。

圖7 基于地面點云的三維模型

7）將二者方量求差即可得到滑坡量為：2 840.363 m3。

4 監測分析

外業采集時間：外業數據采集共計用時 1h。

內業數據處理：用時3h。

綜合比較：采用 Riegl VZ-400 靜態三維激光掃描儀測量滑坡，從外業數據采集到內業數據處理及成果輸出都比傳統測繪方法高效。

優點一：數據采集時間短

傳統基于點采集的測繪方法需要投入大量的人力資源用于滑坡測繪，外業數據采集過程較長，從而延長了下一步救災計劃的實施，很可能會再次發生災害，造成更大的經濟損失及人員傷亡。激光掃描儀的應用有效的節省了大量的人力、物力、財力的投入，大大縮短了外業工作時間，節省了項目經費的支出，而且高精度的測繪能給災害應急提供更加準確的數據成果。

優點二：內業數據處理快

強大的后處理軟件能快速完成數據拼接、植被剔除、等高線生成、DEM 成圖等。在緊迫的救災時間內，為救災工程隊提供高精度的數據成果，制定出一系列救災應急方案。

5 結 語

針對本次臺風應急測繪總結經驗如下：

1）采用機載激光雷達采集并制作覆蓋全市域的高精度地表模型。

2）采用地面激光掃描儀快速獲取災害點的高精度地表模型，結合機載點云成果即可快速估算滑坡量。

3）建議在全市范圍內選取地質災害隱患點，利用三維激光雷達掃描儀獲取滑坡災害現場的絕對坐標值點云數據，通過點云后處理軟件制作三維滑坡模擬實驗模型數據，進而對災害現場范圍內還未發生滑坡的山體進行坡模擬實驗，這樣一旦發生滑坡，可第一時間提供第一手資料，便于及時開展救援搶修工作。