汪燕麟，殷義程，施 昆

(1．云南省測(cè)繪工程院，云南 昆明650033;2．昆明理工大學(xué)，云南 昆明650033)

一、引 言

近年來(lái)，云南地質(zhì)自然災(zāi)害頻發(fā)，如2007年6月3日 普洱市6．4級(jí)地震、2009年6月30日 姚安縣6．0級(jí)地震、2011年盈江縣5．8級(jí)地震、2014年8月3日魯?shù)榭h6．5級(jí)地震等。云南山高谷深，屬于滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，每次震后都有次生災(zāi)害發(fā)生，造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。國(guó)內(nèi)通常是在震后應(yīng)用三維激光掃描測(cè)量技術(shù)服務(wù)于災(zāi)區(qū)遺址恢復(fù)重建、變化監(jiān)測(cè)等工作。但是在災(zāi)害發(fā)生后，如何在第一時(shí)間獲取數(shù)據(jù)，開(kāi)展測(cè)繪應(yīng)急保障從而快速指導(dǎo)展開(kāi)抗震救災(zāi)工作是首要任務(wù)。本文以三維激光掃描技術(shù)在云南魯?shù)椤?．03”地震災(zāi)區(qū)中應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用為例，簡(jiǎn)述了如何將該技術(shù)在震后第一時(shí)間服務(wù)于災(zāi)區(qū)，對(duì)災(zāi)區(qū)大型滑坡區(qū)域進(jìn)行三維重建，精確測(cè)量其面積、體積等數(shù)據(jù)，并對(duì)其過(guò)程處理要點(diǎn)和方法進(jìn)行介紹分析。

二、掃描測(cè)量數(shù)據(jù)采集

1．儀器簡(jiǎn)介

本次魯?shù)榧t石巖堰塞湖滑坡體測(cè)量作業(yè)采用奧地利生產(chǎn)的Riegl VZ-1000三維激光掃描儀(如圖1所示)，此設(shè)備屬于固定式激光掃描系統(tǒng)，外形類似于全站儀，由1個(gè)激光掃描儀集成1個(gè)外置的數(shù)碼相機(jī)和配套軟件控制系統(tǒng)。該設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo):測(cè)距范圍:1400 m，一級(jí)安全激光;激光發(fā)射頻率:300 000點(diǎn)/s;掃描精度:5 mm(100 m距離處，一次單點(diǎn)掃描);掃描角度范圍:垂直掃描(線掃描)100°(+60°，－40°)，水平掃描(面掃描)0°～360°。

圖1 Riegl VZ-1000

2．外業(yè)數(shù)據(jù)掃描

通過(guò)車(chē)載、乘坐沖鋒舟、步行等方式到達(dá)震中區(qū)域紅石巖堰塞湖的主體位置之后，針對(duì)測(cè)量目標(biāo)任務(wù)和要掃描的滑坡體立面，結(jié)合實(shí)際，選擇合理的控制點(diǎn)確定掃描的站數(shù)和位置。選點(diǎn)時(shí)需注意:第一，要確保兩點(diǎn)之間盡可能通視，有一定的公共區(qū)域;第二，選擇地理位置較高、視野廣闊的點(diǎn)，這樣獲取的數(shù)據(jù)也就更多。本次重點(diǎn)選擇在堰塞體主體等地方設(shè)置7個(gè)站點(diǎn)，以確保沒(méi)有掃描盲區(qū)。在選定的觀測(cè)點(diǎn)上架設(shè)好儀器，量取并記錄儀器高，打開(kāi)內(nèi)置GPS實(shí)時(shí)定位，連接筆記本電腦操控掃描;設(shè)置好儀器工作模式，以垂直方向最大60°、水平360°進(jìn)行全景掃描，水平方向點(diǎn)與點(diǎn)間隔設(shè)為5 mm，掃描時(shí)間為每站6～17 min，點(diǎn)云分辨率最遠(yuǎn)1495 m處為60 cm且排列整齊，滿足任何地形測(cè)量要求。待每站掃描結(jié)束后，利用GPS RTK獲取每一個(gè)控制點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值。儀器外置的全畫(huà)幅單反攝影測(cè)量相機(jī)可同步360°拍攝7張彩色照片，并能在儀器配套R(shí)ISCAN PRO軟件中將彩色照片的信息校準(zhǔn)后賦予點(diǎn)云，點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可將真實(shí)的環(huán)境模擬出來(lái)，如圖2所示。

圖2 彩色激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

三、數(shù)據(jù)處理

要對(duì)滑坡體地形進(jìn)行分析研究，需利用掃描儀匹配RISCAN PRO軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。將三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行站點(diǎn)融合、測(cè)站平差、點(diǎn)云賦色、刪除雜點(diǎn)數(shù)據(jù)、矢量化處理、建立平面、刪除冗余點(diǎn)數(shù)據(jù)、建立三角網(wǎng)模型等步驟得到三維模型。其中刪除雜點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)將樹(shù)木、房屋等地物去除，顯示出滑坡體的真實(shí)地形狀態(tài)，并可用該數(shù)據(jù)作后續(xù)分析研究。

1．?dāng)?shù)據(jù)拼接

本次作業(yè)總共設(shè)置7個(gè)站點(diǎn)，每站掃描平均花費(fèi)時(shí)間14 min，獲取點(diǎn)云總數(shù)超過(guò)1．3億個(gè)，完全滿足觀測(cè)需要。通過(guò)點(diǎn)云后處理軟件，同步實(shí)現(xiàn)了7個(gè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換拼接，快速簡(jiǎn)便且精度可靠。用軟件特有的多站點(diǎn)調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)站與站之間的精細(xì)配準(zhǔn)，拼接精度為4 mm，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)拼接

2．過(guò)濾噪點(diǎn)

完成點(diǎn)云的拼接工作后，便需對(duì)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲點(diǎn)剔除。由于掃描儀在復(fù)雜環(huán)境中使用，尤其現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，受工程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)，樹(shù)木、建筑物遮擋，人員的走動(dòng)，掃描目標(biāo)本身反射特性的不均勻等因素影響，將會(huì)造成掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性和噪聲點(diǎn)，導(dǎo)致點(diǎn)云含有粗差，只有把這些錯(cuò)誤的點(diǎn)云剔除后，才可以繼續(xù)進(jìn)行其他的操作。在紅石巖堰塞體現(xiàn)場(chǎng)掃描中，因?yàn)橛胁筷?duì)工程機(jī)械正在挖掘排洪溝渠，所以必須去除這些噪聲數(shù)據(jù)。點(diǎn)云的去噪是一個(gè)重要的過(guò)程，掃描過(guò)程可計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均距離，得到一個(gè)中值，再分別估算數(shù)據(jù)中單個(gè)點(diǎn)與中值的偏差來(lái)決定是否留用。

3．剔除植被

使用獨(dú)特多回波功能，激光可以更多地穿透植被，獲取更多的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，處理軟件對(duì)多回波數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)一鍵過(guò)濾植被的功能，使得內(nèi)業(yè)處理更加簡(jiǎn)單高效，如圖4所示。

圖4

4．滑坡區(qū)三維建模

在需要建立模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)下面建立以似大地面為參考面的平面，生成三角網(wǎng)，并作為最初的點(diǎn)云表面。生成模擬格網(wǎng)后，還需要對(duì)這個(gè)模擬格網(wǎng)作進(jìn)一步的處理，不斷地刪除構(gòu)建的多余四面體及不屬于實(shí)體表面部分的格網(wǎng)，刪除不相容的三角形，貼圖紋理網(wǎng)格，照片與網(wǎng)格結(jié)合，生成逼真的現(xiàn)場(chǎng)3D模型圖(如圖5所示)。

圖5 滑坡體三維模型

5．滑坡體測(cè)量

(1)高度量測(cè)

在測(cè)量一個(gè)物體尺寸信息的時(shí)候，一般主要采用皮尺、測(cè)距儀等野外實(shí)測(cè)，其誤差較大，并且對(duì)于不具備觀測(cè)條件的大型滑坡體，傳統(tǒng)測(cè)量更是難以展開(kāi)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)物的三維真實(shí)展示，在其中不僅能克服無(wú)法實(shí)測(cè)的難題，并且還能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到面、面到面的長(zhǎng)、寬等尺寸的精確量測(cè)。通過(guò)量測(cè)，堰塞湖壩體高度121 m(水面以上高度54 m)，水位較震前上漲了63 m。

(2)體積量測(cè)

一般常見(jiàn)的計(jì)算土石方量的方法有方格網(wǎng)法、直接測(cè)量法、平均高程法、斷面法等。對(duì)于大型滑坡體有時(shí)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的目測(cè)估算，其誤差較大。運(yùn)用RISCAN PRO數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行滑坡體積測(cè)量，首先要確定測(cè)量區(qū)域范圍。在滑坡體積測(cè)量中只有通過(guò)比較兩次或多次掃描數(shù)據(jù)，從而分析和確定滑坡區(qū)域并對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，確定滑坡范圍。在此次應(yīng)用中，和震前1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合比對(duì)，以前期未滑坡模型為基準(zhǔn)對(duì)象，以后期滑坡模型為參考對(duì)象。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理后，前后兩期滑坡體模型疊加，在其數(shù)據(jù)下面建立一個(gè)以前期水位淹沒(méi)線為基礎(chǔ)的公共投影平面，可以確定滑坡區(qū)域范圍(如圖6、圖7所示)。通過(guò)RISCAN PRO軟件自帶的體積統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)要計(jì)算的點(diǎn)云進(jìn)行土方量自動(dòng)量算，一般而言對(duì)于大范圍地質(zhì)體測(cè)量，建議柵格值設(shè)置為0．5 m，此時(shí)效果最理想，得出滑坡體面積為115．6萬(wàn)m2，體積超過(guò)1250萬(wàn)m3。

圖6 堰塞湖地震前1∶10 000 DEM模型

圖7 滑坡區(qū)域范圍

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，結(jié)合掃描儀上的GPS定位系統(tǒng)，對(duì)特征點(diǎn)(如房屋拐點(diǎn)、道路岔路口等)進(jìn)行定位測(cè)量，通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)DEM模型的坐標(biāo)統(tǒng)一。控制點(diǎn)共5個(gè)，坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度分析見(jiàn)表1。

表1 控制坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度 m

由表1中可以看出，x、y、z坐標(biāo)誤差最大值為0．13 m，經(jīng)分析產(chǎn)生原因主要包括以下4個(gè)方面:

1)點(diǎn)云采樣間距誤差和測(cè)量控制系統(tǒng)本身誤差。

2)多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接誤差，掃描儀本身不設(shè)置標(biāo)靶。

3)坐標(biāo)控制點(diǎn)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中識(shí)別誤差，與操作人員選擇相關(guān)。

4)原有控制質(zhì)量誤差，因原有1∶10 000 DEM是航測(cè)制作，數(shù)據(jù)測(cè)量方法不一致，精度要求不一致。

6．二維圖制作

通過(guò)軟件色差分析模塊，可以從圖中看出滑坡體的滑坡情況(如圖8所示)，此外，成圖軟件還可制作各個(gè)滑坡地區(qū)的平面圖、截面圖、立面圖等二維圖形(如圖9所示)，從不同角度顯示滑坡的當(dāng)前狀態(tài)，給其他部門(mén)提供了直觀可靠的圖形數(shù)據(jù)，在分析研究時(shí)不僅能夠從整體把握滑坡的大致趨勢(shì)，還能夠從細(xì)節(jié)入手，對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析。

圖8 滑坡區(qū)域變化分布圖

圖9 滑坡體中心截面圖

四、成果分析

經(jīng)過(guò)在魯?shù)榈卣馂?zāi)區(qū)堰塞湖滑坡體激光掃描測(cè)量作業(yè)，得到了準(zhǔn)確翔實(shí)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逼真地還原了其立體形狀，達(dá)到非常好的效果。在計(jì)算滑坡土方量時(shí)，雖然用的是地震前航測(cè)1∶10 000 DEM作模型比對(duì)，因測(cè)量方式不一致，精度有限，但是地震屬于突發(fā)自然災(zāi)害，在這種情況下，精度測(cè)量不是第一位的。第一位的是快速獲取災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)救援工作。采用三維激光掃描測(cè)量來(lái)快速測(cè)量滑坡體并建立三維模型來(lái)獲取災(zāi)情數(shù)據(jù)，可以滿足任務(wù)要求。

五、結(jié) 論

通過(guò)這次在抗震救災(zāi)中的實(shí)例應(yīng)用可以看出，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于滑坡災(zāi)害工程中是可行的，結(jié)論如下:

1)三維激光掃描技術(shù)不僅具有快捷、方便、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全數(shù)字化、高精度、測(cè)量方式靈活、非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，還可利用掃描采集的數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究，為滑坡災(zāi)害的防護(hù)提供寶貴的研究資料。

2)地面三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)的測(cè)量手段，其數(shù)據(jù)處理也完全不同于已有的理論方法，獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和方式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端。

3)三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出來(lái)，特別是對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，隨著該技術(shù)的不斷完善和發(fā)展、三維信息需求的增加，以及三維空間技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的深度融合，作為新的空間數(shù)據(jù)采集手段，相信該技術(shù)將會(huì)成為一種在測(cè)繪領(lǐng)域普遍應(yīng)用的新技術(shù)手段。

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