三維激光掃描在高陡邊坡勘察中的測距分析

劉偉鵬 吳 光 張廣澤

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司 ,成都 610031; 2.西南交通大學 地球科學與環境工程學院,成都 610031)

1 概述

三維激光掃描具有“非接觸性、高效率、高速率、大數據”等優點,在高陡邊坡勘察中得到大量應用,具有廣泛的應用前景。徐進軍等利用三維激光掃描技術在滑坡變形監測取得較好效果[1-2];ABELLáN A等利用長測距三維激光掃描儀對危巖落石進行測量,并建立三維地面模型分析危巖體穩定性[3];李東黎等把三維激光掃描技術引進到危巖落石勘察中,并獲得良好成效[4-6];禾秉順等利用三維激光掃描點云數據進行巖體結構面幾何參數計算,獲得巖體結構面參數[7];劉昌軍等利用三維激光掃描獲得點云,并對巖體結構面產狀進行自動識別分析[8-9];謝雄耀等利用三維激光掃描技術在隧道全斷面變形監測中進行應用,以分析隧道不同階段的變形特征[10];游志誠通過三維激光掃描技術測量結構面的形態點云,建立結構面表面模型,對結構面強度的各向異性進行研究[11];胡超基于三維激光掃描技術建立邊坡開挖質量評價新方法[12];董秀軍利用三維激光掃描在獲取高精度DTM上進行了應用,取得較好效果[13];宋云記利用三維激光掃描技術在隧道施工階段進行質量管控及病害檢測獲得較好成效[14]。然而,國內外對三維激光掃描技術在勘察領域的基礎研究相對較少。為更好把三維激光掃描測量技術引入地質工程和巖土工程領域,對三維激光掃描儀在危巖體勘測中的測距進行分析,統計掃儀器對不同地物的測距特征,針對性提出“測距控制法”減小勘測過程中的植被噪音,以期為野外掃描工作提供必要的指導。

2 三維激光掃描測量系統

2.1 三維激光掃描儀測量原理

如圖1所示,三維激光掃描儀從測站發出測量激光束并抵達被測物表面,光束發生漫反射,部分返回儀器并被探測到。儀器接收漫反射測量激光束的往返時間為t,再計算被測物體與測站的距離觀測值S。同時,儀器內的精密時鐘控制的角度編碼器可同步測量光束的橫向掃描角度觀測值φ和垂向掃描角度觀測值θ。

圖1 地面三維激光掃描儀測量原理

在工作之初,三維激光掃描儀會自動建立一個測量坐標系,在該坐標系中,三維激光掃描獲得的實測數據為:被測點到坐標原點O的直線距離D、垂直轉角θ、水平轉角φ和回光強度I。

儀器軟件可以將實測數據轉換成坐標系三維坐標值,三維激光掃描儀測得點的三維坐標P(x,y,z)與實測值D、θ、φ的關系為

式中,D為掃描儀與被掃描點的直線距離;θ為激光束垂向方位角;φ為激光束水平方位角與X軸的夾角。

2.2 掃描儀技術參數

以瑞士Leica ScanStation C10掃描儀為例,分析該儀器對危巖體的測距能力,表1為該儀器的主要參數指標。

表1 ScanStation C10技術參數

激光波長影響掃描儀測量距離,激光波長(頻率)決定了特定材料的波普反射能力,反射能力則決定了掃描儀最大測量距離,通常把這種反射能力用反射率表示。此外,被測物體外表面的粗糙程度也對反射率有很大影響,進而影響儀器最大測距。

3 三維激光掃描測量測距分析

3.1 三維激光掃描儀測距影響因素及模型

根據三維激光掃描儀工作原理,儀器發射并接收測量物體的反射波,得到激光束往返傳播時間t、測量距離D。因此,當得到測量物體反射波譜、掃描儀激光波長,就可分析儀器對測量物體的最大測距。

在不同大氣環境下,分析不同物體最大測距值,并結合被測物體反射率值,可獲得掃描儀對各類物體的“反射率-最大測距”曲線。圖2為Riegl vz-6000三維激光掃描儀的“反射率-最大測距”曲線。

圖2 RIEGL VZ-6000掃描儀測距曲線

由圖2可知,儀器對被測物體測量的最大距離隨著激光反射率增大而增大。同時,掃描儀測距與被測物體反射率并不呈線性關系,被測物的反射率較小時,隨反射率的增大,測距增長較快,反射率達到較大值(80%)時,被測物最大測距增長則不明顯。

針對激光測距隨反射率增大,其最大測距增大幅度逐漸減小,認為是由于大氣中顆粒物體對激光波能量的衰減作用所引起的。大氣顆粒物會對光波產生各種作用,如大氣散射、大氣吸收和大氣折射等,大氣層顆粒物減弱了發射波和反射波激光束能量,使得儀器無法檢測反射波,減小了測量距離。當在小反射率區間時,激光傳播距離較近,波速能量衰減較少,隨著反射率增大,最大測距增大明顯;隨著被測物體測距增大,大氣的影響也逐漸變大,波速能量衰減量增大,測距增長幅度逐漸減小。此外,在小反射率區間,不同能見度大氣的測距相差較小,不同反射率物體的最大測距也相差較小,但隨著反射率增大,各物體最大測距差值逐漸增大。

通過圖2所示的測距曲線可以看出,冪函數可以很好反映這類測距模型[15]。通常情況下,儀器廠家只會提供數組不同反射率條件下的最大測距,根據這幾組數據,可以構建一條反映該儀器所對應的“反射率-最大測距”曲線模型,進而可計算儀器對任意反射率物體的最大測距。

根據Leica C10儀器所給的參數,物體在反射率為18%時,最大測距為134m;反射率為90%時,測距為300m;當反射率為0時,測距為0m。可設該儀器的“反射率-最大測距”為L=aρb,把反射率和最大測距值代入,有

則Leica C10儀器“反射率-最大測距”曲線可表達為

曲線如圖3所示,通過該曲線模型,獲得物體反射率后,可利用式(3)計算物體的最大測量距離。

圖3 Leica C10測距曲線

3.2 地物波譜特征分析

三維激光掃描測量是通過波普反射時間差進行測量,地物反射率決定了其對波的反射能量大小。對于危巖落石勘察而言,測量主體為巖石,各類型巖石反射光譜研究有助于儀器和測站位置選擇。

巖石光譜是由各種不同的礦物光譜混合組成的合成光譜,不同巖石反射波普差異性較為明顯。巖石光譜特征受到巖石礦物成分、結構、構造和表面狀態等因素影響。研究表明,這種混合效應是非線性的。

沉積巖波譜反射率很大程度上是由巖石表觀顏色、礦物的化學成分、結構及構造、風化殼物質性質及風化程度、巖石表面的覆蓋物性質等方面決定。其中,礦物成分和巖石風化面顏色對層積巖波譜特征起決定性作用。沉積巖野外實測反射波譜曲線表明:沉積巖反射率隨著顏色的加深而降低,沉積巖的顏色與鐵、黏土礦物的含量有較大關系。沉積巖野外反射率一般在5%～35%之間;在黃光波段、TM3波段(0.62～0.69 μm)沉積巖波譜曲線形態相對變化較顯著,有利于沉積巖的光譜識別。

巖漿巖成分差別較大,通常劃分為酸性巖、中性巖、基性巖和超基性巖。巖漿巖波譜反射率取決于巖石化學成分、粒度結構、巖石構造、表面風化程度和表面覆蓋物等因素。其中,巖石的化學成分(特別是SiO2)是主導因素。巖漿巖波譜的基本規律是:超基性巖和基性巖的反射率低,中性巖漿巖反射率中等,酸性巖漿巖反射率偏高。

變質巖是原巖通過變質作用而形成的,其反射波譜特征與原巖有很大的關系,多數波譜特征與原巖相近。圖4為ENVI軟件波譜庫中常見三大巖類的波譜曲線。

圖4 常見巖石波譜曲線

危巖落石勘測中,植被是最主要的干擾因素,對植被的光譜特性進行分析研究有助于三維激光掃描儀波長等參數的選取。

植物波譜特征取決于植物葉片的物理結構。圖5表述了綠色植物電磁輻射特征的標準波譜特征和植物光譜響應的生物物理因素。

圖5 典型綠色植物光譜反射率特征曲線

植物光譜特征可以概括為可見光2個吸收帶、1個窄反射峰、近紅外寬反射峰和短波紅外反射峰3個強吸收帶。這些特征光譜帶的形成取決于植物葉片的物理結構:上表皮層及其下的柵欄組織的葉綠素成分決定了可見光的光譜特征,內部的海綿組織決定了近紅外強反射光譜特征,植物的含水性決定了短波紅外光譜特征。

ENVI軟件波普庫中,也提供部分室內試驗測量獲得的植被波譜曲線,如圖6所示。

圖6 常見草和樹木波譜曲線

3.3 巖石測距分析

根據巖石的波譜曲線,可以得到波長λ=532nm巖石的反射率值,把反射率數值代入式(3),可以得到各巖石的最大測距,見表2。

對于不同類型的巖石,Leica C10最大測距也不同。由表2可知,巖石的基本測距都在100m以上,絕大多數巖石最大測距在150m以上。因此,在測量危巖落石時,Leica C10比較合適的測距為150m左右,對于不同的巖石,應適當調整測站距離。

表2 Leica C10對常見巖石的最大測距

3.4 植被測距分析

植被是激光掃描測量危巖落石中主要干擾因素,實際測量中,應盡量降低植干擾。在成貴鐵路某危巖體三維激光勘察研究過程中,危巖體前面多有植被遮擋,嚴重影響后期數據提取和數據準確性,也影響了被測危巖體的表面模型建立。

通常情況下,對于植被噪聲以人為刪除為主,圖7為植被噪聲人工去噪前后對比。盡管這種方法能夠較好去除植被噪聲,但工作量十分龐大,在實際生產中需要花費大量時間來處理這些噪聲。因此,通過自然測量過程中避免或減少植被噪音十分必要。

圖7 危巖體點云植被噪聲和手動去噪

植被的最大測距分析與巖石一樣,差別在于植被波譜與巖石波譜特征有所不同。通過儀器的“反射率-最大測距”曲線和對應植被的波譜特征,可以計算該儀器對植被的最大測距。

以Leica C10為例,表3為Leica C10測量幾種常見植物的最大距離。由表3可知,植被最大測距約為210m,最小測距為78m,平均測距約為120m。

表3 Leica C10對常見植物最大測距

當獲得某被測區域高光譜或多光譜遙感圖后,就可以利用軟件得到該區域的巖石和植被波譜曲線,也可以利用波譜儀采集測區巖石和植被波譜曲線,進而計算測區巖石和植被最大測距。

4 危巖體測距適用性分析

4.1 測距適用性分析

對表2、表3中巖石最大測距和植被最大測距進行數理統計,得到巖石和植被最大測距直方圖(見圖8)。由圖8可知,多數巖石最大測距均大于150m,多數植被測距小于150m,總體均值為121m。

圖8 巖石與植被最大測距統計直方圖

根據植被和巖石最大測距直方圖,兩條概率曲線交點x約為135m。通過統計可得植被和巖石在x>135時,植被可被測到的累計概率為0.27,巖石可被測到的累計概率為0.89。因此,當儀器布設在距離危巖體135m外時,89%的巖石能被測到,而只有30%的植被能夠被測到,植被測量得以有效抑制。

通過巖石和植被的測距差異性,可通過調整測站來避免植被干擾。這種避免干擾的方法需要滿足巖石的測量距離比植被測量距離大,原理如下。

設某儀器對巖石最大測距為M,植被最大測距為m,在最大測距條件下,儀器所測得的巖石點云滿足實際生產需要。在進行測量時,可將儀器測站設在距離被掃描區域[m,M]區間范圍,則儀器在巖石測距范圍內,同時因儀器測距超出對應植被最大測距,儀器可獲得巖石的反射激光脈沖,但無法獲得植被的反射脈沖,植被無法被測得,進而避免植被點云數據,原理如圖9所示。

圖9 測距法減少植被噪聲點原理示意

同時,也可以利用巖石和植被波譜曲線差異來指導掃描儀波長選擇,進而減少植被噪聲。通過巖石和植被的波譜曲線可以發現,波譜在一些特定的區間時,植被反射率相較巖石反射率明顯偏低,當選擇該波段內的激光掃描儀進行危巖落石進行測量時,可大大提高巖石的測量距離,危巖點云將得以最大程度獲取,而由于植被反射率明顯較小,其最大測距值較小,在較遠的測站測量時,大量植被反射波無法被儀器測得,植被點云被抑制,噪聲減少。

4.2 實例應用

成貴鐵路威信至畢節段灰巖和厚層砂巖分布廣泛,區內危巖落石發育,是良好的危巖落石勘察測量試驗場地,本次選取5個工點(6個測量點)進行分析,測量儀器為Leica C10三維激光掃描儀。

根據野外測量點布設和后期數據處理,得到各工點位置下的危巖落石三維點云圖像,各工點設站距離和掃描效果如表4所示。由表4可知,當測距小于100m時,盡管危巖點云效果較好,但表面植被噪聲較大,去除比較困難;當點云與測站距離為120～180m,植被點云明顯減少,巖體點云分辨率可以辨別危巖落石,部分植被噪聲得到抑制。隨著距離增加,盡管植被噪聲減少,但是巖體點云質量也在下降,獲得危巖落石效果較差(如圖10所示);當距離大于230m時,危巖落石無法被測量。

圖10 坪上隧道出口測站1處點云

表4 試驗工點測量點云效果

根據野外試驗測量的點云質量結果,當進行野外危巖落石測量時,Leica C10掃描儀宜在危巖落石分布區外120～150m范圍設站,這樣既可以保障危巖落石結構分辨率,又能局部抑制植被的點云噪音,為后期數據處理提供較好的基礎。該測站距離約135m,是較為理想的設站范圍。

5 結論

(1)三維激光掃描儀對地物的測量距離與儀器波長、被測物波譜特征等有關,不同巖石、植被具有不同的波普曲線,三維激光掃描儀對不同巖石和植被測距也不同,通過野外被測對象的波普分析可以得到不同儀器對不同地物的最大測距。

(2)測距曲線可通過冪函數表征,通過擬合獲得三維激光掃描儀“反射率-最大測距”曲線,利用該曲線計算得獲得該掃描儀對不同巖石和植被的最大測距,表明該儀器對巖石的平均最大測距比植被大,適用于邊坡或陡崖勘察。

(3)通過“測距減噪”方法,可以局部減少危巖體表面植被噪聲,為后期模型建立提供較好的原始點云數據,測距分析認為Leica C10掃描儀的測站設立位置宜在距被測陡崖135m處。