機載LiDAR技術在坡面孤石識別中的應用

樊亞男

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

坡面孤石是裸露于地表或淺埋于殘積土層中的中～微風化花崗巖球狀風化體[1-2]。廣州市地貌以山地丘陵為主，基巖多為花崗巖，孤石發育。受降雨和人類活動等因素影響，大量孤石出露地表，在斜坡之上形成坡面孤石。坡面孤石形狀多為球狀或橢球狀，孤石失穩后以其速度快、運動遠的特點，嚴重威脅其周邊建構筑物及人員安全。探索坡面孤石調查和綜合防治方法意義重大。目前坡面孤石調查工作多以人工調查為主[3-5]，但受植被覆蓋和道路不通等影響，人工調查難以做到全方位、無死角。本文采用機載LiDAR技術，對廣州市黃埔區暹崗山一帶開展坡面孤石遙感識別，以人工核查的方式對識別結果進行檢驗，探索機載LiDAR技術在坡面孤石識別的有效性和適用性，為坡面孤石崩塌災害的防治提供技術支撐。

1 研究區概況

暹崗山位于黃埔區聯和街道開創大道北與科翔路交會處，地處該區中心地段，中心地理坐標23°11'7.39″、113°27'11.62″，面積約16 km2。該區域屬剝蝕構造低山殘丘的山間凹地，地面高程介于90～300 m，整體坡度為5°～40°，局部可達75°。區內基巖以花崗巖為主，巖體經長期球狀風化作用，原地解體或機械搬移形成大量的孤石球狀風化體，零散分布在山體上，且大多被植被覆蓋。受周邊人類活動和降雨等因素影響，坡面孤石極易失穩破壞，對周邊企業、住宅、學校、道路造成嚴重威脅。

2 機載LiDAR技術工作流程

機載LiDAR系統集成了定位系統（GPS）、慣性導航系統（IMU）、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備，是一種通過位置、距離、角度等觀測數據直接獲取對象表面點的三維坐標，實現地表信息提取和三維場景重建的對地觀測技術。首先，分析項目區行政區劃、交通、通信和自然地理等基礎資料，并進行飛航空域申請。其次，開展系統綜合檢校和地面檢校，消除系統誤差和其他干擾因素，進行仿地飛行，獲取激光點云數據。再次，點云數據經處理后，分離地面點、植被點、建筑物點等三維坐標點，獲取測區數字表面模型（DSM）、數字高程模型（DEM）和數字正射影像（DOM）；基于地質環境條件和航飛數據，建立遙感解譯標志，并開展室內解譯工作。最后，對室內解譯結果進行野外復核驗證、修正，編制解譯成果報告及圖件。

3 機載LiDAR遙感解譯結果

遙感解譯是遙感調查的重要環節，在基礎圖像上重現野外實際環境景觀，基于地學原理進行地物識別及定性和定量、時間和空間分析，以人機交互的方式獲取坡面孤石及其發育環境信息。

3.1 建立解譯標志

不穩定的坡面孤石屬于危巖體，是潛在的崩塌體。高清三維光學影像可清晰拾取地表信息，坡面孤石在三維光學影像上會呈現一定特征，可作為坡面孤石識別的有效標志。坡面孤石光學影像特征如圖1所示。

圖1 坡面孤石光學影像特征

孤石為中～微風化花崗巖球狀風化體，顏色多為青灰色、灰白色等淺色調，與周圍環境色差明顯；孤石形狀通常較為規整，呈球狀、橢球狀，以群落形式散落于斜坡上；孤石與孤石界線清晰，間隙生長少許植被，局部地面裸露。

光學效果的視覺效果比較直觀，但廣州市山地丘陵區植被茂盛，植被對坡面孤石的遮擋效果導致植被茂盛區域的坡面孤石難以通過光學影像清晰識別。三維數字高程影像可有效濾除植被，去掉表面干擾信息，完整地表現地表形態。孤石高程影像特征如圖2所示。

圖2 坡面孤石高程影像特征

孤石發育區坡面較為粗糙，顏色呈暗灰色、灰色等，表面凸起明顯；孤石三維形態表現良好，界線清晰可見。

3.2 初步解譯

根據機載LiDAR航測結果和坡面孤石在三維光學影像、三維數字高程影像上的特征，以人機交互的方式開展坡面孤石的初步解譯工作，形成初步解譯成果，解譯內容包括地理位置、所處地貌類型、微地貌、植被特征、孤石規模、形態、基座特征、穩定性、危害性等。

3.3 野外驗證

對初步解譯結果及解譯過程中存在的不確定和疑問點，采用人工野外調查的方法進行逐一驗證復核，重點核查坡面孤石存在與否及其發育特征，對比遙感解譯標志和野外復核結果，對不確定以及疑問點進行補充，對已建立的遙感解譯標志進行修正完善。

3.4 綜合解譯

對比分析坡面孤石遙感解譯標志及野外驗證結果，在修正解譯標志的基礎上對研究區開展坡面孤石崩塌隱患識別。本次暹崗山測區共識別出坡面孤石群106處，直徑大于3 m的坡面孤石1 355個，主要分布在測區的西南部，結合現場調查成果，可將坡面孤石劃分為穩定孤石和不穩定孤石，數量分別為300個和1 055個，收集勘查資料顯示正在治理孤石數量共計854個。

對坡面孤石綜合解譯成果進行抽樣查證，查證比例不少于10%，隨機選取15個孤石群開展現場查證工作，其中10個孤石群的遙感解譯結果與現場驗證基本吻合，5個孤石群現場調查的孤石數量遠多于遙感解譯結果，但直徑大于3 m的坡面孤石數量與遙感解譯結果基本一致。由此可見，機載LiDAR技術在坡面孤石識別中具有很好的效果。

坡面孤石分布如圖3所示。

圖3 暹崗山坡面孤石分布

3.5 成果分析

本次機載LiDAR遙感調查共識別坡面孤石群106處（大于3 m的坡面孤石1 355個），空間分布呈現“南多北少”的規律，坡面孤石的分布特征與地層巖性、地形地貌、人類活動等因素密切相關。

3.5.1 地層巖性

研究區基巖以花崗巖為主，局部出露變質巖。坡面孤石是花崗巖因差異風化形成的球形或近球形風化物，均形成于花崗巖分布區，對比研究區花崗巖形成時代，三疊系花崗巖較易形成孤石；從粒徑來看，中粗粒花崗巖較細粒花崗巖更易形成孤石。

3.5.2 地形地貌

地層巖性是孤石形成與否的決定性條件，地形地貌是其能否出露及穩定存在的重要因素。地形地貌以其自然坡度和匯水條件影響坡面孤石的發育，孤石形成后通常埋藏于地下，山體匯水條件越好、匯水面積越大，坡面土體受雨水沖刷越明顯，孤石越容易出露形成坡面孤石；坡面孤石所處地形坡度越陡，受重力和外界影響，孤石越易失穩，滾落至坡腳。因此，坡面孤石大多分布于研究區南部山地范圍內坡度相對較緩的區域。

3.5.3 人類活動

人類活動的影響主要表現為山體開挖引起的地形變化，坡面孤石形成后大多處于相對穩定狀態，受風化剝蝕和降雨沖刷影響逐漸趨于不穩定，此過程通常很漫長，但人類活動對自然環境的改變是短期內發生的，導致大量坡面孤石出露或因工程活動而消除，在孤石本就發育的南部區域，頻繁的工程活動使得區域內孤石分布十分密集。

4 實用性及存在問題

4.1 實用性

本研究首次將機載LiDAR技術應用到坡面孤石的識別中，取得了顯著的成效，為孤石發育區的坡面孤石崩塌災害防治提供借鑒。坡面孤石多發育于人工難以抵達的山地丘陵區，隱蔽性強，引入機載LiDAR技術可解決人工無法抵達的問題，良好的植被穿透性克服了植被遮蓋難以調查的問題。機載LiDAR在坡面孤石識別上具有較高的準確率，與人工調查相比，可大幅度縮短工期，引入機載LiDAR技術可有效提升坡面孤石調查和防治工作效率。

4.2 存在問題

機載LiDAR技術航測成本高，在區域性的坡面孤石調查中存在一定局限性。坡面孤石的識別受其規模影響顯著，在小規模孤石的精準識別上難度較大。機載LiDAR技術在坡面孤石識別中的應用受可解譯程度的制約，難以做到調查內容的全面解譯，需進一步探索完善。

5 結語

本文首次將機載LiDAR技術應用于坡面孤石遙感識別，識別準確率超過60%，取得了顯著效果。機載LiDAR技術具有植被穿透性強、不受交通限制、識別周期短等優勢，在坡面孤石調查及防治方面具有較好的應用前景。機載LiDAR技術的坡面孤石識別準確率受植被特征和孤石規模影響，植被越茂盛，識別效果越差，坡面孤石規模越小，識別難度越大。