三維激光掃描技術在地質災害調查中的應用研究

李冠，張立偉

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100039)

1 引 言

1.1 地質災害調查工作現狀

地質調查與測繪是開展地質災害勘查的重要技術手段，系統采集邊坡巖體中各類結構面的空間幾何信息是識別邊坡地質災害隱患、評價其穩定性的重要基礎工作。而傳統地質調查測繪主要以羅盤、皮尺等方式進行現場數據采集，這些方法工作量大、效率低、信息量離散，甚至還要面臨極大的安全風險。

1.2 三維激光掃描技術特點

三維激光掃描方法可直接獲取被測量巖體的表面各點的三維坐標，高精度地全自動測量巖體中面狀結構單元的空間幾何信息，通過對這些信息進行有效地處理和分析，實現巖體結構面定位和幾何特征信息采集，基于這些信息來進行危巖體識別和穩定性評價。從而可實現遠距離、快速、精確、大面積地獲取被測量巖體表面密集點的三維坐標數據，多方位展示邊坡體中潛在地質災害隱患體信息。

1.3 研究思路

采用三維激光掃描技術應用于地質災害監測時，點云數據的采集質量和處理質量是后續進行地質災害數據分析的重要前提。因此，本文以地質災害監測的具體項目作為實例，以三維激光掃描技術在具體項目中的應用流程作為主線，重點對數據采集、數據處理過程中的關鍵技術進行分析研究。

2 研究內容

三維激光掃描工作主要分為數據采集以及數據處理兩個階段。為保證獲取的數據能滿足后續的處理要求，本文以數據處理精度指標、數據完整性、數據密度作為重點，以項目實例中的數據融合處理作為評價依據，開展數據處理質量指標的統計分析研究。本文從以下兩方面來進行研究分析工作。

(1)設站分布條件研究

三維激光掃描的設站工作是開展數據采集工作的基礎，設站分為控制站設置和自由設站設置，本文主要開展控制站、自由設站的分布對點云數據處理精度的影響的統計分析研究。

(2)掃描參數設置研究

本文的研究工作采用的儀器為Riegl VZ400i三維激光掃描儀，在此環節的研究工作中，以儀器中掃描角分辨率、掃描頻率等參數的設置組合為試驗基礎，開展主要儀器參數的設置對最遠掃描距離、數據完整性等影響掃描數據質量的相關參數的影響情況的統計分析研究。

3 實例分析

3.1 實例介紹

本文以某地質安全監測預警系統項目作為實例，該項目包含了多個監測站點，涵蓋了崩塌、泥石流、不穩定斜坡和滑坡等主要地質災害類型，實例數據如圖1所示。

圖1 實例點云數據示意圖

3.2 數據分析

3.2.1 設站分布條件研究

(1)自由設站分布研究

根據第2節研究內容以3.1中的實例數據進行說明，在實例數據中分別選取間距不同的相鄰自由站進行拼接處理，對拼接誤差進行統計，選取樣本情況如表1所示。

樣本情況 表1

通過對樣本數據進行處理并統計，統計精度情況如圖2、圖3所示。

圖2 樣本拼接精度統計

圖3 設站間隔對拼接精度影響統計

從圖2圖中可得到，當間隔小于100 m時，樣本間的精度差異較小，但隨著間距的變大，精度的變化幅度會顯著變大，且精度值也會顯著變大；進一步結合圖3來看，當自由設站間隔大于 100 m時，其精度平均值會呈現顯著變大的趨勢。

由于進行拼接時采用以自動拼接為主，人工干預為輔的方式進行，當設站間隔達到 80 m時，自動拼接的成功率會顯著降低，因此在保證拼接精度的同時，也應該考慮自動拼接成功率的因素。

(2)控制站分布研究

在進行點云配準時，利用不同的控制點組合(指控制點間距不同)進行解算，并對最終的配準中誤差以及點間誤差進行統計。

圖4 控制站間距對配準精度的影響統計

從圖4中可得出：當控制點間距大于 300 m時，間距中誤差達到 10 mm，配準中誤差則未超過 10 mm，從數據變化情況看，變化趨勢并不顯著，但除考慮精度指標因素外，還需要考慮拼接成果的可靠性因素，故仍然需要對控制點間距進行適當約束處理。

綜上所述，在顧及數據精度和采集效率的情況下，得出了最優的掃描控制站分布設置。其中控制站間距主要考慮相關規范中對應的要求，即控制點之間的連續配準次數不宜超過5次，換算下來大致相當于最大間距為 300 m左右，同時考慮作業效率故最終將控制站間距設為 150 m～300 m之間。

3.2.2掃描參數設置研究

在本項目數據采集實施的過程中，通過對相關的采集參數進行調整，例如激光脈沖頻率，掃描角分辨率(PANAROMA)等參數進行了嘗試，為滿足數據處理要求及后續算法編制的數據需求，對參數設置的搭配進行試驗：

(1)最遠掃描距離統計

通過儀器使用說明中可以得知，影響掃描頻率的設置的是最遠掃描距離，所以在進行后續試驗前，先對不同掃描頻率對應的最遠掃描距離進行試驗統計，但由于最遠處的點云往往較為稀疏而無法對后續的數據處理過程起作用，所以主要對處于有效數據范圍內的最遠掃描距離進行統計。

研究使用的三維激光掃描儀為Riegl VZ400i為脈沖式掃描儀，原理是通過發出激光脈沖至掃描對象上，通過接收從掃描對象上反射的回波信號實現對掃描對象的測量功能，掃描儀對于不同材質的反射率是不一樣的，在進行最遠掃描距離統計前，首先是掃描儀對于不同材質的反射率的情況統計，從儀器說明書中統計如表2所示。

不同材質的掃描反射率統計[1] 表2

材質對應的反射率越高，其回波信號就越容易被儀器接收，導致了兩方面的結果：一是在相同距離條件下就越容易被測出，二是越容易在更遠的距離處被測出。本項目的研究對象主要是反射率為60%的巖壁結構、反射率為80%的石灰巖結構，針對此兩種材質的最遠距離統計情況如圖5所示。

圖5 不同掃描頻率下最遠掃描距離的變化情況[1]

由圖5可以得出，當掃描頻率超過 300 MHz時，在一般的掃描條件下(60%)，對應的最遠掃描距離會下降至 400 m。

(2)數據完整性統計

在后續的分析過程中，基于最遠距離的統計成果，以 100 MHz在 100 m處獲取的數據作為參照，將其他參數配置條件下獲取的數據量相對于該數據的完整程度作為評價指標，即數據完整度評價，對不同掃描距離的條件下點云數據獲取情況進行統計。

由圖6中可以得出，1200 MHz條件下在200 m處的數據完整度已經僅能達到20%左右，說明該掃描頻率水平下的數據并不能很好地適用于本項目的數據生產工作，故在后續的分析工作中，將不對該掃描頻率下的數據進行統計分析；而 600 MHz條件下在 200 m處的數據完整度也僅能達到50%的水平，在 150 m處為約60%，以70%作為參考水平來看，該掃描頻率水平也僅能適用于掃描距離在 100 m以內的數據采集場景。

圖6 數據完整度統計

而在200 m～300 m范圍外的掃描場景中，也僅有 100 MHz條件下的數據完整度能保持一個相對較高的水準，達到75%以上，這也說明就數據完整性方面論，應盡量將掃描距離控制在 200 m以內方可達到較為理想的數據完整水平。

(3)點云密度統計

本項目所用儀器的角分辨率主要利用PANAROMA值來進行評定，變化范圍主要是從10～80，在掃描頻率不變的情況下，對在距離由近及遠變化的過程中不同角分辨率下對應的點云密度進行試驗及統計。

圖7 點云密度統計

在不同掃描頻率以及角分辨率搭配使用的情況下，對掃描時間進行試驗及統計。

由圖8中可以得出，在100 m處，上述角分辨率模式下對應的點云密度均小于 20 mm，角分辨率參數值小于40對應的點云密度小于 10 mm，而在 200 m處，角分辨率參數值小于40對應的點云密度小于 20 mm。參考《地面三維激光掃描作業技術規程》(CH/Z 3017-2015)中二等三維激光掃描測量中關于最大點間距的技術要求，同時結合掃描時間的統計情況，需要考慮將角分辨率值設定在40及以下，方可較好地滿足后續數據需求。

圖8 掃描時間統計

4 結 論

4.1 數據采集處理的最佳參數化配置

(1)站點設計最佳配置

以控制站和自由設站的不同分布情況作為變量，對拼接精度指標以及平差精度指標進行統計，對精度的變化趨勢以及精度差的變化情況進行分析，最終得出掃描設站的最優配置情況如表3所示。

掃描站設置 表3

(2)掃描參數最佳配置

以掃描角分辨率、掃描頻率和掃描距離作為變量，對平差精度、數據密度及數據完整性進行統計，對相關參數的變化趨勢情況進行分析，綜合考慮掃描密度、數據完整度以及掃描效率的情況下，掃描參數設置的參考值如表4所示：

數據采集參數設置表 表4

針對不同類型的測站的儀器參數設置情況如表5所示。

掃描參數設置 表5

4.2 結 語

本文采用充足的實例數據，針對三維激光掃描技術在地質災害監測工作中應用過程中所涉及的采集處理技術關鍵點進行統計分析，得出開展項目應采用的最優化配置。為了滿足后續工作要求，經過多種類型的數據試驗可以得出，用于地質調查的三維激光點云數據精度點云密度均須優于 2 cm，重要區域的點云密度要求則會更高；數據完整度方面則需要盡可能地達到80%以上，重要區域則需要達到90%以上。開展實際工作時，為了有效控制各項指標能滿足要求，需要在測站設置、參數設置以及數據處理策略三方面入手，在后續過程中，將繼續開展實例驗證工作對各類采集處理參數的配置進行更廣泛、充分的驗證。