三维激光扫描在地质灾害调查中的应用
刘正平1 陈 琨1 焦云柱2 叶 疆1 蔡 宇1 董 晴1 饶才强3 沈 铭1
(1. 湖北省地质环境总站, 湖北 武汉 430051;2. 湖北省巴东县自然资源和规划局, 湖北 恩施 444300;3. 湖北省地质局地球物理勘探大队, 湖北 武汉 430051)
摘要：相对于传统的地质灾害测量技术,包括全站仪、近景摄影测量以及航空摄影测量等技术,三维激光扫描测绘技术具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式以及优良的兼容性等优势。本文主要以湖北省黄冈市黄梅县地质灾害详细调查中遇到的困难为例,如地形高差相对较大、危岩体较多等困难,利用三维激光的技术优势,保证内业成图精度与人员安全,减少外业时间及费用成本,为地质调查提供可靠数据。
0 引言
传统地形测量方式是利用人工携带全站仪、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)设备等仪器,对野外测点信息进行采集,经内业处理后形成地形图。传统的测绘方法在野外数据采集具有一定的局限性,如外业工作时间较长、部分区域无法到达等。目前三维激光扫描技术已经开始广泛应用于测绘领域。其主要作业流程包括:外业数据采集、点云数据的配准和拼接、点云分类与过滤(非地面点剔除)、提取地物特征、绘制等高线以及对地形地貌的叠加编辑[1-3]。基于三维激光所采集的外业数据,内业成图精度更加可靠,减少外业时间及费用成本。在数据采集和处理的基础上,形成高精度的地质灾害体三维数据模型,为地质灾害调查信息系统及地质灾害工程治理提供良好的基础数据[4-5],见图1。
图1 实地影像图与矢量点云图
1 工作流程
地面三维激光扫描工作包括野外数据采集及内业数据处理,具体流程如图2所示。
图2 工作流程图
1.1 野外数据采集
(1)设站。按照控制测量要求,进行了扫描站点和标靶三维坐标测量,在仪器中通过设置测站点及后视点的坐标数据。
(2)点云数据采集。根据现场环境条件,合理设置扫描距离,对标靶进行识别与精确扫描;根据采集区域困难程度不同,在相邻扫描站点的有效点云重叠度有所区别,一般不低于30%,困难地区不低于15%,并对扫描站点和标靶进行编码注记;在结束采集工作后,需对采集数据进行质量检查,主要包括数据的完整性和可用性。
(3)纹理图像采集。三维激光扫描仪图像采集,采用高度集成自动化图像采集,拍摄角度始终保持镜头正对目标,相邻两幅图像的重叠度不低于30%,纹理颜色用色卡配合拍摄[6-9]。
1.2 三维激光扫描数据处理
(1)数据预处理。在多并行工作台上,用功能强大的正版软件对数据进行处理,首先进行点云数据的配准,配准一般选择控制点、标靶以及地物特征点,采用四参数和七参数对整个数据进行坐标转换;其次进行去噪,主要是通过滤波和人机交互方式去除异常点和孤立点,点云抽稀以不影响目标物的识别与提取,且抽稀后的最大点间距满足规范要求[10-15]。
(2)图像数据处理。主要包括以下内容:色彩调整,以保持图像反差适中、色彩一致为原则;变形纠正,对图像进行校正;图像配准,保证图像细节表现清晰、无配准镶嵌缝隙;格式转换,处理后的图像转换为通用的文件格式。
(3)彩色点云制作。选择对应的图像数据,根据相机与扫描仪的姿态参数制作彩色点云,制作完成的彩色点云在图像重叠区域无明显色彩差异。
2 工程应用
湖北省黄冈市黄梅县地质灾害详细调查,分重点调查区和一般调查区,并设立重点调查地段,以遥感解译、野外验证和地面调查为主要手段,采用点、线、面相结合,以专业调查为主,查明黄梅县地质灾害或隐患的分布状况,形成的地质环境条件和发育特征,并对其危害程度进行评价,圈定地质灾害易发区和危险区,建立地质灾害信息系统,协助地方政府建立健全地质灾害群测群防网络体系,帮助地方培训一批掌握地质灾害基本知识和监测常识的群众监测员,并为后续开展更为详细的工作提供基础依据。重点调查区选取典型地质灾害体采用三维激光扫描技术,在数据采集和处理的基础上,形成高精度的地质灾害体三维数据模型,为地质灾害调查信息系统及地质灾害工程治理提供良好的基础数据。三维激光扫描项目位于黄冈市黄梅县五祖镇,经过黄冈市黄梅县地质灾害详细调查,确立马村六组崩塌、不稳定斜坡进行三维激光扫描(图3)。
(a)俯视
(b)平视
图3 黄梅县五祖镇阻马村六组不稳定斜坡激光点云
本项目投入的仪器设备以及软件:徕卡ScanStation P50三维激光扫描仪1台、徕卡Leica Viva GS16 GNSS接收机、并行工作站及徕卡Cyclone 9.1软件。
(1)激光点云数据。三维激光扫描系统的测量数据为点云数据,不仅包含目标点的X、Y、Z坐标信息,还包括物体反射强度以及RGB着色等信息,使物体的表示显得更加直观明朗。
(2)彩色点云数据。三维激光扫描仪实地场景扫描时,由于通过不同位置设站,以不同视角对测区进行扫描,以便规避事业遮挡等原因。在后期数据处理过程中,通过坐标转换将多视角扫描的三维彩色点云数据坐标变换到同一坐标系下,通过并行工作站的强大计算功能及徕卡Cyclone 9.1软件自动化识别,提高点云的配准效率,从而再现被测场景,如图4所示。
(a)ZM01扫描站点云
(b)ZM02扫描站点云
(c)ZM03扫描站点云
图4 黄梅县五祖镇阻马村六组不稳定斜坡点云
(3)数字高程模型。数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据可以制作透视图、断面图;进行工程土石方计算、表面覆盖面积统计;用于与高程有关的地貌形态分析、通视条件分析、洪水淹没区分析、精度分析、高程分析;量测坐标、距离、面积、体积(挖填方);坡度、坡向分析;通视性分析;坡面图生成;等高线生成;叠加相关矢量数据和影像数据,如图5所示。
图5 黄梅县五祖镇阻马村六组崩塌、不稳定斜坡DEM
3 应用分析
三维激光扫描技术,已经开始广泛应用于测绘领域中。其主要作业流程包括:外业数据采集、点云数据的配准和拼接、点云分类与过滤(非地面点剔除)、地物提取和绘制、等高线的生成、地物与地貌的叠加编辑。利用三维激光扫描技术制作的数据成果精度可靠,且可大大缩短外业工作时间,将大部分时间转为在软件中对扫描数据的内业处理。基于三维激光扫描测绘技术的应用,改变了传统测绘的作业流程,使相关外业测绘流程大大简化、外业工作时间大大缩短、外业人员的劳动强度大大降低、内业处理的自动化程度也显著提高,兼备以下七点优势。
(1)非接触测量。三维激光扫描仪无须接触目标直接采集物体表面的三维数据,且具有非常高的可靠性,提高作业人员的作业效率,保障作业人员的安全。
(2)数据采样率高。根据需要,采用不同测量原理的三维激光,数据采集速率也有所不同,其中脉冲激光和时间激光的扫描仪,每秒可采集数十万点,相位激光扫描仪每秒可采集百万点,远超传统的测量仪器。
(3)主动发射扫描光源。三维激光作业原理主要是在自身发射激光后,主动探测其回波信号,从而得出目标的信号。
(4)高分辨率、高精度。三维激光扫描技术采集速率高,数据量大,获取的为物体表面的三维数据,从而保证高分辨率。
(5)数字化采集,兼容性好。三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号,具有全数字特征,易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能够与其他常用软件进行数据交换及共享。
(6)与GNSS系统配合使用。扩展了三维激光扫描技术的使用范围,对信息的获取更加全面、准确。内置数码摄像机的使用,增强了彩色信息的采集,使扫描获取的目标信息更加全面。GNSS系统的应用,使得三维激光扫描技术的应用范围更加广泛,与工程的结合更加紧密,进一步提高了测量数据的准确性。
(7)结构紧凑、防护能力强适合野外使用。目前常用的扫描设备一般具有体积小、重量轻、防水、防潮,对使用条件要求不高,环境适应能力强,适于野外使用。
4 结束语
通过对地质灾害体进行三维激光扫描及三维建模,形成地质灾害体三维激光扫描测绘成果,实现了全方位展示地质灾害体的全貌。但地面三维激光仍然具有一定的局限性,受限于地面环境的限制,仍然会存在盲区,需要结合其他采集设备,如机载三维激光,无人机倾斜摄影技术和无人船多波束测深技术,才能在地质灾害体测绘领域发挥其独特的优势,保证获取地质灾害体相关数据的快速性、多层面立体性、高密度及高精度性,对地质灾害体实现了空间数字化、可视化,建立了高精度的3D模型。
引文格式: 刘正平,陈琨,焦云柱,等.三维激光扫描在地质灾害调查中的应用[J].北京测绘,2023,37(6):840-843.
作者简介：刘正平(1968—),男,湖北武汉人,大学本科,高级工程师,从事工程测量,测量在地质灾害中的应用工作。E-mail:447396878@qq.com
通信作者：陈琨,E-mail:553065980@qq.com
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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