譚毅瀅，魏拾其，宋健洪，張冬麗，鄭文俊

1. 中山大學地球科學與工程學院/廣東省地球動力作用與地質災害重點實驗室，廣東珠海519082

2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東珠海519082

激光雷達掃描系統(tǒng)（Light detection and ranging，LiDAR）是一種新興的三維測量技術，具有快速、簡便、高精度、高分辨率的特點，系統(tǒng)工作的原理是通過內部集成的測時測角系統(tǒng)記錄激光脈沖來回物體表面的時間與角度，依據(jù)激光測距原理得到物體表面各點的三維坐標［1］，其技術目前已經應用于不同行業(yè)領域，近年來也逐漸應用于地學高精度研究的三維模型建立和信息獲?。?-4］。

根據(jù)掃描目標大小、獲取信息目的、掃描區(qū)工作條件及對空間分辨率要求，LiDAR 可以搭載在不同的平臺上工作，如星載、機載、地基、車載、手持等［1-2］。空間技術和航空技術的快速發(fā)展為LiDAR 技術的發(fā)展提供了高效的搭載平臺，目前國內外對星載和機載LiDAR 的應用已經十分廣泛，但星載和機載LiDAR 由于搭載平臺、成本等的限制，在對具體工程場地或局部區(qū)域數(shù)據(jù)的獲取中不能很好地發(fā)揮作用，而地基LiDAR 平臺雖然對場地通視條件等有更高的要求，但對具體場地的建模和數(shù)據(jù)獲取有其獨到的優(yōu)勢，可以做到無死角、低成本等。近年來地基LiDAR 技術在活動構造［3-4］、建筑物提取、農作物評估［5］、森林調查［6］等方向的應用表明其可以在具體場景建設中發(fā)揮潛力。如在活動構造領域中，高精度地形地貌數(shù)據(jù)的獲取是定量研究的基礎，以前多使用經緯儀、全站儀、差分GPS 等對地形進行測繪，不僅費時費力、效率較低，而且易出現(xiàn)人為誤差，不能做到地形地貌的全覆蓋。近年來發(fā)展的攝影測量方法雖然能夠高效獲取地表數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)質量受到作業(yè)時的大氣條件和光照條件等因素影響較大［7-8］，另外，利用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術也能獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)處理技術暫未成熟，而且測量成本較高［8］。而地基LiDAR 具有空間分辨率高和能夠穿透植被直接獲取地面信息等的優(yōu)勢和特點，能夠高效地獲取真實的高精度地面三維信息。此外，在工程測量領域，地基LiDAR 也能簡便、快速地獲取工程的三維信息，為工程的后續(xù)計算與分析提供準確的數(shù)據(jù)，與地形地貌測量相結合，還能為工程的地質災害風險評估提供基礎數(shù)據(jù)和依據(jù)。

本文首先利用地基LiDAR 技術方法，在獲取不同場地三維點云數(shù)據(jù)信息的基礎上，從現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)處理及三維建模等方面介紹了地基LiDAR 數(shù)據(jù)應用過程中關鍵技術方法和流程，并以所選取的不同斷層發(fā)育場地點位置的特殊條件為基礎，建立了斷錯地貌模型、工程場地與活動斷層交匯三維模型，展示了地基LiDAR 技術的優(yōu)勢和應用潛力。

1 地基LiDAR數(shù)據(jù)處理概述

地基LiDAR 是一種主動探測手段，主要工作原理為激光測距原理［2］。在掃描過程中，儀器通過測量從發(fā)射激光束到物體表面后被反射回來的時間，計算出物體表面的激光反射點到儀器的距離，再根據(jù)測角結果得到反射點在儀器坐標系下的三維坐標數(shù)據(jù)［2-3］。由于激光束有一定的強度，對植被有一定的穿透力，因此在掃描植被覆蓋區(qū)時，一束激光束會在經過植被時形成多次反射，在回波中形成多個反射波峰，據(jù)此可以去除部分植被并得到真實地面信息（圖1）。本文中使用的是奧地利RIEGL 公司的3D Terrestrial Laser Scanner VZ-2000i 進行數(shù)據(jù)獲取，其分辨率達到1 mm（100 m 處），精度達到3 mm（100 m 處），使用配套的RISCAN PRO 進行點云數(shù)據(jù)的處理，使用3Dreshaper進行三維模型的建立，使用ArcGIS進行數(shù)字高程模型（DEM）的建立。

1.1 點云的初步處理

由于在野外掃描的過程中，激光不僅在到達地面、植被或建筑時會被反射，空氣中的懸浮塵埃顆粒等也會反射激光，形成一個或一團懸浮點。因此，原始的LiDAR 點云包括了直接從地面、被測物體上等反射回的一次反射點，也有從植被反射回的多次反射點，另外還有因隨機誤差產生的噪聲點和從空氣塵埃反射回的懸浮點或稱離群點［9］。為了獲得從地面或被測物體上反射回的點云信息，需要把塵埃、植被等反射形成的懸浮點去除，這可以通過點云的去噪和濾波操作完成。另外，為了獲得物體三維全方位的信息，往往需要圍繞掃描區(qū)布設多個站點，每個站點獲取與相鄰站點有重疊部分的點云數(shù)據(jù)，因此，把多站點的點云數(shù)據(jù)拼接起來也是點云處理的重要部分。

圖1 地基LiDAR點云處理流程圖Fig.1 Terrestrial LiDAR point clouds′processing workflow

點云去噪的目的是去除噪聲點和離群點［10］。去除懸浮點云的方法有很多。對于掃描面積較小、視野空曠開闊的點云數(shù)據(jù)，可以采用手動去除的方法；對于掃描面積較大或點云結構復雜的數(shù)據(jù)，則可采用如直通濾波、半徑濾波等多種算法對點云進行去噪處理。濾波過后，還需要進行檢查，以保證無噪聲點和離群點去除的遺漏。

點云濾波的目的是獲取地面點，即分離地面、植被和建筑物等。由于植被能夠形成多次反射點，因此保留最后一個反射點的操作能夠初步分離地面點與植被點，但完全把植被、建筑和地面分離，需要更加精細的處理。有關點云濾波的算法研究很多，如移動曲面濾波算法［11］、迭代最小二乘濾波算法［12］、漸進加密的三角網(wǎng)濾波算法［13］等。在本次實驗和數(shù)據(jù)處理過程中，將使用漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法來分離植被與地面。漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法的原理是植被與建筑等常高于地面，其點云與地面點云往往存在一定的高度差，并且在剖面上其高程值從地面點到植被、建筑點存在突變的過程。因而此方法在平面上均勻提取點云的較低點作為種子點來建立不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network， TIN），即初設地面，通過比較非種子點到臨近三角網(wǎng)格的距離和非種子點到種子點的角度判斷該點是否屬于地面點，并據(jù)此不斷更新、擴大種子點數(shù)來加密TIN 以逼近真實地面，最終使得所有地面點作為種子點參與TIN，而植被、建筑點則仍是非種子點，二者得以區(qū)分（圖2）。

漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法已經發(fā)展較為成熟，集成于多種點云處理軟件中。它通過迭代加密TIN 得到地面點，對曲面不連續(xù)性較為敏感［12］。應用時，通過調整判別參數(shù)可以對需要濾去的地物點或植被的大小進行控制，進而應用于其他環(huán)境中。

點云拼接是把不同站點的掃描數(shù)據(jù)在同一坐標系下拼接起來，點云拼接的方法很多，主要分為基于標靶的拼接、幾何特征的拼接、控制點三維坐標的拼接和臨近迭代配準（Iterative Closest Points， ICP）算法的拼接［2，14］。本實驗采用基于幾何特征的拼接與改進ICP 算法相結合的拼接方法，有效地提高了拼接精度?；趲缀翁卣鞯钠唇臃椒ㄊ峭ㄟ^點云中目視容易辨認的幾何特征來確定點云重疊部分中的同名點，然后再基于同名點計算點云的變換矩陣進行拼接，其誤差常因人為原因而較大。而ICP 算法則是在于參考點云與目標點云上取得一定數(shù)量同名點的基礎上，不斷調整變換矩陣直至兩點云的同名點間的距離平方之和達到規(guī)定閾值之下來進行拼接［15-16］，其誤差相對較?。▓D3），許多改進ICP算法著眼于正確的同名點的提取。本實驗所采用的改進ICP 算法通過計算一定大小立方體內所有點的最佳擬合平面的重心與法向量，以此作為參考量，提取相似的最佳擬合平面對作為同名點。由于法向量能夠更好地保留點云表面的細微幾何特征，因此一般對應點正確率較高［16］。

圖2 漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法原理Fig.2 The principle of progressive encryption triangulation method

另外，采用幾何特征與改進ICP 算法的拼接相結合的拼接方法，能夠人機交互地對拼接的準確度進行控制，有效地提高了匹配的精度，尤其適用于表面崎嶇不平的三維實體。

1.2 三維模型重建方法

經過處理的三維點云雖然也可以展示物體的三維形態(tài)，但仍不是真實世界中的三維顯示效果，而且其離散的數(shù)據(jù)組織形式對后續(xù)分析和計算帶來很大的不便，因此需要利用三維點云建立三維模型，獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)結構以及更直觀、準確的可視化效果［17-18］。

圖3 ICP算法流程圖（修改自文獻［15］）Fig.3 Model of ICP algorithm

對不規(guī)則的三維實體如地質體、地貌面等建立三維模型的典型方法有三維規(guī)則網(wǎng)格法、TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法和四面體法等[17-18]。由于地基LiDAR獲得的點云都是三維實體的表面點，不包含實體的內部點，因此多利用TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法對點云數(shù)據(jù)進行處理并建立三維模型［18-20］，TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法通過點云中各個點為節(jié)點建立三角形以形成表面模型。TIN 多使用Delaunay 三角劃分算法，所生成的Delaunay 三角網(wǎng)具有唯一性，且各線段不相交，能夠很好地描述三維點云所代表的表面。另外，由于三維點云可能有因掃描缺失和掃描不到而形成空洞的地方，因此需要利用空洞周圍的點云對空洞進行插值填補以后再進行TIN 網(wǎng)的建立?？斩吹牟逯捣椒ㄓ泻芏?，需要根據(jù)空洞的可能形態(tài)進行選擇。

對規(guī)則的三維實體如建筑、橋梁等，可以在計算相應的尺寸后使用規(guī)則曲面來描述。如對橋梁的圓柱形橋墩，可以通過點云上不共線的三個點擬合圓柱的直徑以及長軸，建立規(guī)則圓柱面；對建筑外墻平面，可以通過點云上不共線的三個點擬合平面的傾向和傾角，建立平面等。規(guī)則曲面的建立能夠減少數(shù)據(jù)量，更精確地填補點云空洞，但規(guī)則曲面間以及規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面間的拓撲關系需要仔細識別及建立。

活動斷層作為一種重要的地質構造類型，對構造運動研究、地震發(fā)生機理探討和工程安全評價等都有重要的意義，因此活動斷層模型構建對工程的安全風險分析有很大的幫助。斷層是面狀地質體，在局部地區(qū)可以用一個平面近似表示，其產狀可以在現(xiàn)場實測得到，也可以通過點云性質進行測量獲得。使用點云性質進行斷層產狀測量的原理是斷層會造成巖層的錯位，表現(xiàn)為斷層面上巖層反射率的突變，在反射率突變的地方隨機選擇3 個點，使用最小二乘法擬合出最優(yōu)平面，即可作為斷層面。這兩種方法也可以相互驗證，得到更加準確的斷層產狀。注意斷層面的延伸深度不可過大，且斷層面與其兩側地貌面的拓撲關系也需仔細識別及建立。

2 地基LiDAR數(shù)據(jù)的DEM重建方法

地基LiDAR 獲取的原始點云經處理后得到的地面點具有X、Y 坐標和高程數(shù)據(jù)，是高密度的離散高程點，能夠為構建高精度高分辨率的DEM 提供足夠的數(shù)據(jù)約束。但地基LiDAR 受到布設位置和通視條件的限制，在包括河溝的掃描區(qū)里，對彎曲河溝溝谷的掃描效果較差，易形成溝谷處的數(shù)據(jù)空區(qū)。因此，地基LiDAR 可以與掃描區(qū)的其他機載LiDAR 數(shù)據(jù)相拼接，彌補溝谷處的數(shù)據(jù)空區(qū)，提高地面的點云密度。

地面點云數(shù)據(jù)本質上為離散點數(shù)據(jù)。以離散點為數(shù)據(jù)源的規(guī)則格網(wǎng)DEM 建立有不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN） 和直接插值兩類。不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN）是基于離散點建立的不規(guī)則三角網(wǎng)模型進行磨光內插得到規(guī)則格網(wǎng)DEM 的的方法［21］。直接插值是通過已知的格網(wǎng)點高程，計算未知的格網(wǎng)點高程。直接插值有多種方法，如基于地統(tǒng)計學的克里金插值法、反距離權重插值法、徑向基函數(shù)插值法、自然鄰域插值法、線性插值法、加權平均法等等［22-23］。前人對各種插值方法及其精度進行了評定，認為不同的地區(qū)對不同插值方法的適用性不同，需要針對具體地區(qū)進行分析，但總體而言，基于地統(tǒng)計學的克里金插值法精度最高［10，23-24］。

3 復雜地形條件下活動斷層斷錯地貌數(shù)據(jù)獲取與模型建立

本實驗所用的地形點云數(shù)據(jù)掃描于甘肅省白銀市景泰縣小紅山地區(qū)。當?shù)貫楦珊禋夂?，存在多條季節(jié)性沖溝，形成了廣闊的沖積扇，植被低矮稀疏。掃描區(qū)面積約2.5 萬m2，地處沖溝出山口，最大高差50 m。沖溝深度1～2 m，向沖積扇方向逐漸變淺；沖溝較為平直，僅出山口處具左旋位錯，指示斷層位置。山前有陡坎，垂直高約2 m。野外掃描時，共設置掃描站5 個，其位置如圖4。

圖4 斷錯地貌掃描站點位置黃星代表站點位置，紅色虛線為推測斷層位置；衛(wèi)星圖來自谷歌地圖2020 CNES/AirbusFig.4 Location of scan positions in fault topographyThe yellow stars stand for the position of station,the red dotted line stands for the fault;The satellite image comes from Google Earth 2020 CNES/Airbus)

掃描獲得的原始點云如圖5a 所示。由于掃描區(qū)視野開闊，因此手動搜索離群點并刪除。去除植被時，首先進行回波濾波，僅保留每束激光的最后一個反射點；再使用漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法，考慮掃描區(qū)的植被低矮且分散的特征設置判別參數(shù)后，得到地面點。點云拼接操作中，以第一站為基準，先把其他四站以及當?shù)貦C載Li-DAR 數(shù)據(jù)通過特征點初步與第一站相拼接；再使用改進的ICP 算法進行調整，共使用最佳擬合平面2 110 對，拼接誤差達到0.013 6，拼接結果如圖5b，拼接點云平均點云密度為80 m-2，點云密度分布如圖5c。使用ArcGIS 軟件導入點云，在3D Analyst Tools 模塊中使用普通克里金方法建立DEM（圖5d），分辨率為0.2 m。

使用高精度點云建立高分辨率的DEM，可以清晰地顯示斷層形態(tài)，有利于斷層三維形態(tài)的顯示，同時可以通過對斷層陡坎、河溝錯斷等構造地貌進行高精度的測量，獲得關于斷層水平運動、垂直運動等的定量數(shù)據(jù)。

圖5 斷錯地貌三維點云處理過程（a）各站點原始點云圖像；（b）點云拼接結果；（c）掃描區(qū)點云密度；（d）DEM；（e）地形測量剖面Fig.5 Processing of 3D point from fault topography(a)image of primary point clouds from each scan position;(b)image of point clouds registration;(c)point density of scan area;(d)DEM;(e)topography measurement profile

4 工程場地與活動斷層交匯三維場景再現(xiàn)

實驗所用的數(shù)據(jù)掃描于寧夏省中衛(wèi)市定武高速一橋梁與香山—天景山斷裂交匯的位置。掃描區(qū)包括有少量植被覆蓋的山體以及橋梁，面積約為9 000 m2，斷層出露于山體兩種不同顏色巖石接觸處，實測斷層走向為300°左右，傾角為41°左右，斷層斜穿高速公路橋梁，橋梁走向北東86°左右。野外掃描時，共設置掃描站8 個，其位置如圖6。

掃描獲得的原始點云如圖7（a）所示。由于掃描區(qū)視野開闊，因此手動搜索離群點并刪除。分離地面點時，首先進行回波濾波，僅保留每束激光的最后一個反射點；其次使用漸進加密的三角網(wǎng)濾波方法，把植被集中處分割成相對平坦的幾塊分別進行濾波。點云拼接時，共使用最佳擬合平面740 558對，拼接誤差達到0.028 2，拼接結果如圖7（b）。最后把地面與橋梁分離，分類結果如圖7（c）。

圖6 工程場地與斷裂交匯處掃描站點位置黃星代表站點位置，紅色虛線為推測斷層位置；衛(wèi)星圖來自谷歌地圖2020 Maxar TechnologiesFig.6 Location of scan positions in the intersection of active fault and engineeringThe yellow stars stand for the position of station,the red dotted line stands for the fault;The satellite image comes from Google Earth 2020 Maxar Technologies

圖7 工程場地與斷裂交匯點云處理過程（a）各站點原始點云；（b）點云拼接結果；（c）：(1)掃描區(qū)整體點云,(2)掃描區(qū)地面點,(3)掃描區(qū)工程點Fig.7 Processing of point clouds from the intersection of active fault and engineering(a)image of primary point clouds from each scan position;(b)image of point clouds registration;(c):(1)entire point clouds of scan area,(2)ground points,(3)engineering points

使用3Dreshaper 軟件導入地面點云并建立TIN網(wǎng)，平滑后使用“Filling hole”工具對空洞進行插值填補；導入橋梁點云并建立TIN 網(wǎng)，平滑后，對較小的空洞使用“Filling hole”工具進行插值填補，對較大的空洞如未掃描到的橋墩部分，使用“Construct”工具欄中的“Best Cylinder”工具根據(jù)掃描到的橋墩部分進行擬合并拼接。根據(jù)在點云數(shù)據(jù)中觀察到的不同反射率的巖石的接觸部位以及現(xiàn)場實測的斷層產狀，在相應位置上建立相同產狀的平面作為斷層面。最終建模結果如圖8，斷層產狀為212°∠41°，與橋梁成36°斜交關系。

工程場地和活動斷裂交匯處的三維顯示能使得工程與地面、斷層面的關系更加直觀，清晰地展示出工程所面臨的安全隱患。另外，通過定量測量模型中的斷層產狀、斷層與工程的相對位置以及工程本身的模型數(shù)據(jù)等，可以為模擬斷層活動時工程的安全風險提供更全面和準確的依據(jù)。

圖8 工程場地與斷裂交匯三維模型多角度圖長方形平面為斷層面位置，紅色線為斷層在地表跡線，橙紅色曲面為地形面，灰黑色為橋梁Fig.8 Image of the intersection of active fault and engineering from multi-angleRectangular plane stands for fault plane,red line stands for the intersection of fault plane and terrain,orange curved surface stands for terrain,grey object stands for bridge

5 結論與展望

地基LiDAR 點云數(shù)據(jù)的處理過程雖然繁瑣，但總體思路清晰，主要分為點云的去噪、濾波、分類和配準等4個步驟。目前已經發(fā)展出大量的處理算法，應針對不同特征的掃描區(qū)，有機地結合各類處理算法，才能獲得更為準確、真實的三維點云。

不同的場景建模過程中，要結合實際選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法。本文實驗所選擇的兩種場地類型中：活動斷層斷錯微地貌建模中，多使用TIN不規(guī)則三角網(wǎng)法；對于規(guī)則形態(tài)工程建筑建模，則應結合工程本身的幾何特性，結合使用TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法和規(guī)則曲面擬合；而對于對地形以及工程影響重大的斷層，可以在提前測量其產狀的基礎上，使用平面作為斷層面以建立模型。

實驗測試結果顯示，地基LiDAR 比較適合應用于活動構造領域中斷裂區(qū)地形地貌的測繪，為斷裂區(qū)精細地貌填圖、微地貌識別和構造地貌定量研究帶來更準確和豐富的數(shù)據(jù)。另外，還能使用地基LiDAR 對工程以及周圍地形進行測量和三維建模，提供準確的數(shù)據(jù)對工程自身的安全性、穩(wěn)定性等進行評估，對工程的地質災害風險計算提供更加詳實、準確的交互資料?？傊?，地基Li-DAR 能夠為活動構造研究和工程測量提供高精度、高分辨率的三維數(shù)據(jù)，是一種簡便快速的數(shù)據(jù)獲取手段，其應用潛力十分巨大。