李俊峰，汪 璐，鄧 非，陳 屹，程 前

（1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042；2.寧波市阿拉圖數(shù)字科技有限公司，浙江 寧波 315042；3.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

2019第9 號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在浙東沿海登陸，給寧波帶來(lái)了嚴(yán)重影響，市內(nèi)多地發(fā)生內(nèi)澇、地質(zhì)滑坡、泥石流等嚴(yán)重災(zāi)害。為迅速了解災(zāi)情，在寧波市自然資源和規(guī)劃局的領(lǐng)導(dǎo)下，寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院充分發(fā)揮專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，迅速派出車(chē)載移動(dòng)測(cè)量組，趕赴鄞州角洞岙隧道受災(zāi)點(diǎn)，開(kāi)展災(zāi)后應(yīng)急測(cè)繪監(jiān)測(cè)作業(yè)。對(duì)角洞岙隧道（如圖1所示）進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)，即運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)獲取滑坡點(diǎn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)滑坡點(diǎn)形態(tài)，并與2015年我院就通過(guò)直升機(jī)獲取的機(jī)載激光點(diǎn)云做比對(duì)，估算滑坡方量。并迅速上報(bào)市局指揮組，為相關(guān)區(qū)域?yàn)?zāi)后救援、災(zāi)后重建提供了精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，可記錄滑坡對(duì)隧道和洞口的擠壓變形的原始數(shù)據(jù)，作為日后檢測(cè)或維護(hù)的依據(jù)，并為日后地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)積累了寶貴的第一手測(cè)繪資料。

圖1 角洞岙災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)圖

1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

角洞岙隧道滑坡監(jiān)測(cè)采用的是世界上最大的激光掃描儀生產(chǎn)廠家——奧地利RIEGL公司生產(chǎn)的RIEGL VZ-400三維激光掃描儀（如圖2所示），其主要參數(shù)如表1所示。

表1 RIEGL VZ-400三維激光掃描儀主要參數(shù)

圖2 RIEGL VZ-400三維激光掃描儀

三維激光掃描測(cè)量的方法就是大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。地面三維激光掃描和全站儀的測(cè)量原理相同，都是以?xún)x器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)測(cè)角和測(cè)距獲取地面目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的三維坐標(biāo)。不同的是地面三維激光掃描技術(shù)采用全自動(dòng)高密度的面數(shù)據(jù)獲取方式，它不僅獲得點(diǎn)云的三維空間信息，同時(shí)獲得地物目標(biāo)的反射強(qiáng)度信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地物表面信息的高密度數(shù)據(jù)采集。主要特點(diǎn)如下：

1）使用簡(jiǎn)單、掃描快速、操作安全、應(yīng)用范圍廣泛。

2）數(shù)據(jù)非常詳細(xì)，點(diǎn)云影像清晰，高程可分層設(shè)色。

3）精確高速的數(shù)據(jù)捕獲，減少數(shù)據(jù)采集和分析的回轉(zhuǎn)次數(shù)。

4）對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行的遠(yuǎn)程、高速掃描，使效率最大化。

5）一次掃描后可以在點(diǎn)云模型上進(jìn)行反復(fù)的“模型測(cè)繪”。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1）首先踏勘測(cè)區(qū)，結(jié)合實(shí)際，選擇合理的控制點(diǎn)。（選點(diǎn)需注意：第一，選點(diǎn)時(shí)確保兩點(diǎn)之間盡可能通視，有一定的重疊區(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)也就越多）本次重點(diǎn)測(cè)量范圍內(nèi)所選 3 個(gè)控制點(diǎn)。

2）數(shù)據(jù)獲取。架設(shè)三腳架，對(duì)中整平掃描儀，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；此次滑坡共掃描 3 站，平均每站掃描用時(shí)為 5 min掃描視場(chǎng)角為全景360°×100°掃描，掃描半徑為超長(zhǎng)距離 350 m，點(diǎn)云在滑坡處的分辨率為2 cm 且排列整齊，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求。

3）待每站掃描結(jié)束后，利用 GPS-TK 獲取每一個(gè)控制點(diǎn)的三維絕對(duì)坐標(biāo)值。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1）激光點(diǎn)云拼接。激光點(diǎn)云拼接的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是將點(diǎn)云的坐標(biāo)系統(tǒng)由掃描儀自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系。由于RIEGL VZ-400每一次掃描的數(shù)據(jù)都是使用其自身所設(shè)定的掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)SOCS，所以需要利用每一站的后視靶標(biāo)來(lái)將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)，相當(dāng)于空間后方交會(huì)，從而將所有點(diǎn)云均置于統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系下，拼接采用的是RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO。拼接完成后采用軟件自帶的MSA平差模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差，拼接后的滑坡區(qū)域點(diǎn)云如圖3所示。

圖3 拼接后的滑坡區(qū)域點(diǎn)云

2）點(diǎn)云裁切、噪聲剔除。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，因?yàn)椴捎玫氖?60°全方位掃描，所以不可避免地產(chǎn)生了較多冗余數(shù)據(jù)以及由其他原因產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)等，因而需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切并剔除噪聲點(diǎn)。將激光掃描數(shù)據(jù)逐站導(dǎo)入處理軟件，通過(guò)軟件的矩形、多邊形選擇點(diǎn)云等功能選中冗余及噪聲數(shù)據(jù)。

3）點(diǎn)云濾波。為了得到真實(shí)的地表數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行點(diǎn)云的地表點(diǎn)和非地表點(diǎn)分離刪除，也即點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波。在創(chuàng)建一個(gè)光柵矩陣模型并覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)后，根據(jù)柵格網(wǎng)設(shè)置密度的節(jié)點(diǎn)尋找到該有效節(jié)點(diǎn)Z值最低的點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)這點(diǎn)再建立一個(gè)粗略的地形模型，用于分離地表及非地表點(diǎn)，地面點(diǎn)云如圖4所示。

圖4 濾除地表附著物后的地面激光點(diǎn)云

4）將2015年通過(guò)直升機(jī)載體掃描獲取的機(jī)載點(diǎn)云與本次地面掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加，效果如圖5所示，其中，紅色區(qū)域?yàn)闄C(jī)載點(diǎn)云，白色為地面激光點(diǎn)云，二者之間的空洞區(qū)域即為滑坡。

圖5 機(jī)載與地面點(diǎn)云疊加顯示效果

5）以?xún)烧咦畹兔嫦乱? m為方量計(jì)算基準(zhǔn)面，基于機(jī)載點(diǎn)云計(jì)算得到方量為2 444.590 m3，并創(chuàng)建邊坡三維模型（如圖6所示）。

圖6 基于機(jī)載點(diǎn)云的三維模型

6）保持方量計(jì)算基準(zhǔn)面不變的情況下，基于地面點(diǎn)云計(jì)算得到的方量為5 284.953，并創(chuàng)建邊坡三維模型（如圖7所示）。

圖7 基于地面點(diǎn)云的三維模型

7）將二者方量求差即可得到滑坡量為：2 840.363 m3。

4 監(jiān)測(cè)分析

外業(yè)采集時(shí)間：外業(yè)數(shù)據(jù)采集共計(jì)用時(shí) 1h。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理：用時(shí)3h。

綜合比較：采用 Riegl VZ-400 靜態(tài)三維激光掃描儀測(cè)量滑坡，從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果輸出都比傳統(tǒng)測(cè)繪方法高效。

優(yōu)點(diǎn)一：數(shù)據(jù)采集時(shí)間短

傳統(tǒng)基于點(diǎn)采集的測(cè)繪方法需要投入大量的人力資源用于滑坡測(cè)繪，外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程較長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)了下一步救災(zāi)計(jì)劃的實(shí)施，很可能會(huì)再次發(fā)生災(zāi)害，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡。激光掃描儀的應(yīng)用有效的節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力的投入，大大縮短了外業(yè)工作時(shí)間，節(jié)省了項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支出，而且高精度的測(cè)繪能給災(zāi)害應(yīng)急提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果。

優(yōu)點(diǎn)二：內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理快

強(qiáng)大的后處理軟件能快速完成數(shù)據(jù)拼接、植被剔除、等高線(xiàn)生成、DEM 成圖等。在緊迫的救災(zāi)時(shí)間內(nèi)，為救災(zāi)工程隊(duì)提供高精度的數(shù)據(jù)成果，制定出一系列救災(zāi)應(yīng)急方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)本次臺(tái)風(fēng)應(yīng)急測(cè)繪總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）采用機(jī)載激光雷達(dá)采集并制作覆蓋全市域的高精度地表模型。

2）采用地面激光掃描儀快速獲取災(zāi)害點(diǎn)的高精度地表模型，結(jié)合機(jī)載點(diǎn)云成果即可快速估算滑坡量。

3）建議在全市范圍內(nèi)選取地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，利用三維激光雷達(dá)掃描儀獲取滑坡災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的絕對(duì)坐標(biāo)值點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云后處理軟件制作三維滑坡模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)范圍內(nèi)還未發(fā)生滑坡的山體進(jìn)行坡模擬實(shí)驗(yàn)，這樣一旦發(fā)生滑坡，可第一時(shí)間提供第一手資料，便于及時(shí)開(kāi)展救援搶修工作。