地震災區中地面三維激光掃描測繪技術的應用方法分析

汪燕麟，殷義程，施 昆

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

一、引 言

近年來，云南地質自然災害頻發，如2007年6月3日 普洱市6．4級地震、2009年6月30日 姚安縣6．0級地震、2011年盈江縣5．8級地震、2014年8月3日魯甸縣6．5級地震等。云南山高谷深，屬于滑坡、泥石流等地質災害多發區域，每次震后都有次生災害發生，造成了人員傷亡和財產損失。國內通常是在震后應用三維激光掃描測量技術服務于災區遺址恢復重建、變化監測等工作。但是在災害發生后，如何在第一時間獲取數據，開展測繪應急保障從而快速指導展開抗震救災工作是首要任務。本文以三維激光掃描技術在云南魯甸“8．03”地震災區中應急測繪保障中的應用為例，簡述了如何將該技術在震后第一時間服務于災區，對災區大型滑坡區域進行三維重建，精確測量其面積、體積等數據，并對其過程處理要點和方法進行介紹分析。

二、掃描測量數據采集

1．儀器簡介

本次魯甸紅石巖堰塞湖滑坡體測量作業采用奧地利生產的Riegl VZ-1000三維激光掃描儀(如圖1所示)，此設備屬于固定式激光掃描系統，外形類似于全站儀，由1個激光掃描儀集成1個外置的數碼相機和配套軟件控制系統。該設備主要技術指標:測距范圍:1400 m，一級安全激光;激光發射頻率:300 000點/s;掃描精度:5 mm(100 m距離處，一次單點掃描);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．外業數據掃描

通過車載、乘坐沖鋒舟、步行等方式到達震中區域紅石巖堰塞湖的主體位置之后，針對測量目標任務和要掃描的滑坡體立面，結合實際，選擇合理的控制點確定掃描的站數和位置。選點時需注意:第一，要確保兩點之間盡可能通視，有一定的公共區域;第二，選擇地理位置較高、視野廣闊的點，這樣獲取的數據也就更多。本次重點選擇在堰塞體主體等地方設置7個站點，以確保沒有掃描盲區。在選定的觀測點上架設好儀器，量取并記錄儀器高，打開內置GPS實時定位，連接筆記本電腦操控掃描;設置好儀器工作模式，以垂直方向最大60°、水平360°進行全景掃描，水平方向點與點間隔設為5 mm，掃描時間為每站6～17 min，點云分辨率最遠1495 m處為60 cm且排列整齊，滿足任何地形測量要求。待每站掃描結束后，利用GPS RTK獲取每一個控制點的絕對坐標值。儀器外置的全畫幅單反攝影測量相機可同步360°拍攝7張彩色照片，并能在儀器配套RISCAN PRO軟件中將彩色照片的信息校準后賦予點云，點云數據即可將真實的環境模擬出來，如圖2所示。

圖2 彩色激光點云數據

三、數據處理

要對滑坡體地形進行分析研究，需利用掃描儀匹配RISCAN PRO軟件進行數據預處理。將三維激光掃描儀獲取的數據進行站點融合、測站平差、點云賦色、刪除雜點數據、矢量化處理、建立平面、刪除冗余點數據、建立三角網模型等步驟得到三維模型。其中刪除雜點數據會將樹木、房屋等地物去除，顯示出滑坡體的真實地形狀態，并可用該數據作后續分析研究。

1．數據拼接

本次作業總共設置7個站點，每站掃描平均花費時間14 min，獲取點云總數超過1．3億個，完全滿足觀測需要。通過點云后處理軟件，同步實現了7個站點云數據的全球坐標系轉換拼接，快速簡便且精度可靠。用軟件特有的多站點調整功能，實現站與站之間的精細配準，拼接精度為4 mm，如圖3所示。

圖3 數據拼接

2．過濾噪點

完成點云的拼接工作后，便需對拼接后的點云數據進行噪聲點剔除。由于掃描儀在復雜環境中使用，尤其現場工作時，受工程機械的運動，樹木、建筑物遮擋，人員的走動，掃描目標本身反射特性的不均勻等因素影響，將會造成掃描獲取的點云數據的不穩定性和噪聲點，導致點云含有粗差，只有把這些錯誤的點云剔除后，才可以繼續進行其他的操作。在紅石巖堰塞體現場掃描中，因為有部隊工程機械正在挖掘排洪溝渠，所以必須去除這些噪聲數據。點云的去噪是一個重要的過程，掃描過程可計算點云數據的平均距離，得到一個中值，再分別估算數據中單個點與中值的偏差來決定是否留用。

3．剔除植被

使用獨特多回波功能，激光可以更多地穿透植被，獲取更多的地面點數據，處理軟件對多回波數據可以實現一鍵過濾植被的功能，使得內業處理更加簡單高效，如圖4所示。

圖4

4．滑坡區三維建模

在需要建立模型的點云數據下面建立以似大地面為參考面的平面，生成三角網，并作為最初的點云表面。生成模擬格網后，還需要對這個模擬格網作進一步的處理，不斷地刪除構建的多余四面體及不屬于實體表面部分的格網，刪除不相容的三角形，貼圖紋理網格，照片與網格結合，生成逼真的現場3D模型圖(如圖5所示)。

圖5 滑坡體三維模型

5．滑坡體測量

(1)高度量測

在測量一個物體尺寸信息的時候，一般主要采用皮尺、測距儀等野外實測，其誤差較大，并且對于不具備觀測條件的大型滑坡體，傳統測量更是難以展開。點云數據是實物的三維真實展示，在其中不僅能克服無法實測的難題，并且還能快速、準確地進行點到點、點到面、面到面的長、寬等尺寸的精確量測。通過量測，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

一般常見的計算土石方量的方法有方格網法、直接測量法、平均高程法、斷面法等。對于大型滑坡體有時只能進行簡單的目測估算，其誤差較大。運用RISCAN PRO數據處理軟件進行滑坡體積測量，首先要確定測量區域范圍。在滑坡體積測量中只有通過比較兩次或多次掃描數據，從而分析和確定滑坡區域并對滑坡區域進行檢測，確定滑坡范圍。在此次應用中，和震前1∶10 000 DEM數據進行融合比對，以前期未滑坡模型為基準對象，以后期滑坡模型為參考對象。在對點云數據進行去噪處理后，前后兩期滑坡體模型疊加，在其數據下面建立一個以前期水位淹沒線為基礎的公共投影平面，可以確定滑坡區域范圍(如圖6、圖7所示)。通過RISCAN PRO軟件自帶的體積統計模塊對要計算的點云進行土方量自動量算，一般而言對于大范圍地質體測量，建議柵格值設置為0．5 m，此時效果最理想，得出滑坡體面積為115．6萬m2，體積超過1250萬m3。

圖6 堰塞湖地震前1∶10 000 DEM模型

圖7 滑坡區域范圍

在數據采集過程中，結合掃描儀上的GPS定位系統，對特征點(如房屋拐點、道路岔路口等)進行定位測量，通過基準點進行大地坐標轉換，實現前后兩個DEM模型的坐標統一。控制點共5個，坐標點轉換精度分析見表1。

表1 控制坐標轉換精度 m

由表1中可以看出，x、y、z坐標誤差最大值為0．13 m，經分析產生原因主要包括以下4個方面:

1)點云采樣間距誤差和測量控制系統本身誤差。

2)多幅點云數據拼接誤差，掃描儀本身不設置標靶。

3)坐標控制點在點云數據中識別誤差，與操作人員選擇相關。

4)原有控制質量誤差，因原有1∶10 000 DEM是航測制作，數據測量方法不一致，精度要求不一致。

6．二維圖制作

通過軟件色差分析模塊，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滑坡地區的平面圖、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前狀態，給其他部門提供了直觀可靠的圖形數據，在分析研究時不僅能夠從整體把握滑坡的大致趨勢，還能夠從細節入手，對具體問題進行具體分析。

圖8 滑坡區域變化分布圖

圖9 滑坡體中心截面圖

四、成果分析

經過在魯甸地震災區堰塞湖滑坡體激光掃描測量作業，得到了準確翔實的高精度點云數據，逼真地還原了其立體形狀，達到非常好的效果。在計算滑坡土方量時，雖然用的是地震前航測1∶10 000 DEM作模型比對，因測量方式不一致，精度有限，但是地震屬于突發自然災害，在這種情況下，精度測量不是第一位的。第一位的是快速獲取災害現場數據，協助現場救援工作。采用三維激光掃描測量來快速測量滑坡體并建立三維模型來獲取災情數據，可以滿足任務要求。

五、結 論

通過這次在抗震救災中的實例應用可以看出，將三維激光掃描技術應用于滑坡災害工程中是可行的，結論如下:

1)三維激光掃描技術不僅具有快捷、方便、準確、動態、實時、全數字化、高精度、測量方式靈活、非接觸測量等特點，還可利用掃描采集的數據對地質災害進行研究，為滑坡災害的防護提供寶貴的研究資料。

2)地面三維激光掃描技術的測量方式和數據結構完全不同于傳統的測量手段，其數據處理也完全不同于已有的理論方法，獲取數據的特點和方式彌補了傳統測量方法的弊端。

3)三維激光掃描技術的優點已經逐漸體現出來，特別是對于測繪領域來說，隨著該技術的不斷完善和發展、三維信息需求的增加，以及三維空間技術和現代測量技術的深度融合，作為新的空間數據采集手段，相信該技術將會成為一種在測繪領域普遍應用的新技術手段。

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