公路水毀三維激光應(yīng)急調(diào)查與建模

馬李斌，凌茜如，李文博，謝佳妮，白 雪

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710021）

1 研究背景

近些年，我國(guó)公路建設(shè)取得了顯著成就，但仍存在很多問(wèn)題需要解決。鑒于我國(guó)的地域廣袤，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，暴雨和洪水對(duì)公路建設(shè)造成了嚴(yán)重的破壞，其中最為突出的就是路基水毀。由于暴雨、洪水等對(duì)路基的沖刷侵蝕，極有可能造成路基水毀，從而中斷交通，危及行車安全，造成巨大損失。本文主要針對(duì)此現(xiàn)象，研究快速搶通水毀路基，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，快速形成三維水毀形態(tài)圖，根據(jù)數(shù)字化模塊設(shè)計(jì)，應(yīng)用快通預(yù)制模塊對(duì)水毀路基進(jìn)行修復(fù)。從而達(dá)到快速搶通水毀路基的目的。[1]自2010 年起，由于公共道路破壞所帶來(lái)的巨額財(cái)政損失已突破百億元，而且這些破壞的維護(hù)和恢復(fù)所需的金額也已超出了10億元。為了解決這一問(wèn)題，對(duì)于山區(qū)道路的破壞和維護(hù)有著非常重大的實(shí)際意義。近年來(lái)，在山區(qū)公路水毀防疫減災(zāi)領(lǐng)域，全球各地的專家們都取得了豐碩的科技貢獻(xiàn)。唐紅梅和陳遠(yuǎn)川就西南地區(qū)的區(qū)域水災(zāi)情況展開了系統(tǒng)的調(diào)查和分區(qū)；FAlconeRra 則著重探討了沿河公路水毀致災(zāi)機(jī)理，并且還開展了區(qū)域性公路水毀風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)評(píng)估。近年來(lái)，隨著公路路基水毀災(zāi)害的持續(xù)加劇，相關(guān)的研究和探索取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而解決了傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，例如丁壩、擋土墻等，還有更加先進(jìn)的應(yīng)急處置措施，都取得了顯著的成效[2]。李小明和陳洪凱為解決公路路基水毀沖失帶來(lái)的安全隱患，提供了一套緊急錨拉框架，以及一系列針對(duì)山區(qū)公路路段的應(yīng)急處置措施，以有效地防止公路路基受損，保障公眾安全[3]。Chinchiolo J 等為解決道路邊坡的緊急情況，提供了一套全新的解決方案，并采用先進(jìn)的技術(shù)。由于氣候變化的加劇，許多地區(qū)的山區(qū)公路面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管已有許多高新技術(shù)可以幫助這些地區(qū)恢復(fù)交通，但目前的應(yīng)急修理科技仍然無(wú)法完全解決這些問(wèn)題[4]。因此，我們必須尋找更有效的解決辦法來(lái)確保這些地區(qū)的平安和通暢。伴隨技術(shù)發(fā)展，三維激光掃描科技也取得了長(zhǎng)足的改善[5]。GoSLAM 移動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)利用即時(shí)位置與建圖信息技術(shù)，無(wú)需GPS 或其他GNSS 定位，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、戶外和其他復(fù)雜環(huán)境的位置和三維建圖。GoSLAM 的產(chǎn)品以其出色的功率和靈活的操作方式著稱，它搭載了一個(gè)可以調(diào)整的旋轉(zhuǎn)式激光測(cè)頭，可以提供120m 的射程，并且可以在短時(shí)間內(nèi)收集32 萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且它還可以實(shí)現(xiàn)360 度*285 度的極佳視野，其中的點(diǎn)精度更是達(dá)到了1cm。采用RTD 數(shù)字結(jié)算方法，SLAM 解算能夠迅速響應(yīng)，不再需要耗費(fèi)大量的精力來(lái)完成掃描操作[6]。

此外，華測(cè)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)集成事業(yè)部充分利用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面的技術(shù)積累，建立了一套科學(xué)完善的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害防治管理的科學(xué)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和可視化。華測(cè)導(dǎo)航旗下的AA10航測(cè)系統(tǒng)是華測(cè)導(dǎo)航自主研發(fā)的新一代智能航測(cè)解決方案，它以“高性能、輕量化、智能化”為設(shè)計(jì)理念，可廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、工程勘測(cè)、礦山測(cè)量等領(lǐng)域，而且CoPre 和CoProcess 兩個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件能夠提供及時(shí)的預(yù)測(cè)和分析，用戶還能夠隨意訪問(wèn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且擁有各種不同的查看和操控功能，從而滿足用戶對(duì)于高效率的要求。

2 三維激光掃描儀工作原理

激光掃描控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能，可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量物體的位置。它包含了激光測(cè)距、掃描操作、儀器操縱、校準(zhǔn)以及CCD 技能。這篇文章所用的三維激光掃描儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的精度。該儀器的激光源會(huì)在物體的表面產(chǎn)生一個(gè)激光脈沖，然后這個(gè)脈動(dòng)會(huì)在物體的接收端產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，最終可以測(cè)出物體和掃描儀之間的距離S。通過(guò)采用高性能的時(shí)鐘控制編碼器，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每條激光脈沖的垂直、水平、水平、水平、傾斜三維位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取三維坐標(biāo)（采用掃描儀里面的坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖1），并利用方程進(jìn)行運(yùn)算[7]。

圖1 掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)

圖1 顯示了三個(gè)不同的軸，其中X 軸沿著橫向坐標(biāo)系延伸，Y 軸沿著縱向掃描線延伸，而Z 軸則與橫向掃描面完全平行。

X、Y、Z 代表著三維空間坐標(biāo)，它們是用來(lái)衡量P位置的，而S 則是用來(lái)衡量掃描器到該位置的距離的參數(shù)。此外，α、θ則是用來(lái)衡量每一條激光脈沖的垂直或水平方位的視覺(jué)參數(shù)[8]。

3 技術(shù)難點(diǎn)以及重點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)水毀災(zāi)害的填補(bǔ)方法，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地使用了三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建三維水毀形態(tài)，力求在短時(shí)間內(nèi)能夠建立出一個(gè)精準(zhǔn)的水毀體數(shù)字模塊。與以往從單一方向獲取單位數(shù)據(jù)的方法不同的是，我們借助無(wú)人機(jī)采取了水毀體上下協(xié)調(diào)獲取一體化三維數(shù)據(jù)，既可以精確計(jì)算出塌陷的體積，又能獲得周邊路面的體積。為了確保水毀路段的安全，我們將在其周圍建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并利用先進(jìn)的定位技術(shù)，實(shí)時(shí)收集地表位移數(shù)據(jù)，以便及時(shí)采取有效措施。在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目難點(diǎn)以及重點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[9]。

第一，如何利用三維激光掃描技術(shù)掃描出來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成完整地形？地形是復(fù)雜的，且水毀災(zāi)害存在不確定性，無(wú)法完全確定災(zāi)害形態(tài)是否會(huì)變化，利用三維激光掃描技術(shù)掃描出來(lái)的部分?jǐn)?shù)據(jù)能否準(zhǔn)確反映水毀后公路的穩(wěn)定形態(tài)是一大問(wèn)題[10]。

第二，掃描角度。如果掃描角度不正確會(huì)很難形成對(duì)后期修復(fù)有效的圖形，例如單純用固定儀器掃描只能形成一個(gè)角度的數(shù)據(jù)成像，不能全面形成被毀壞的地形。

第三，如何透過(guò)水和松散堆積物形成準(zhǔn)確地形圖？液體的掩蓋和松散堆積物的滑落會(huì)影響三維激光掃描的地形結(jié)果，如何進(jìn)行最終地形矯正也是一個(gè)問(wèn)題。

4 實(shí)施方案

4.1 公路水毀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在開展公路水毀測(cè)試前，應(yīng)當(dāng)全面評(píng)估該測(cè)試區(qū)的環(huán)境條件，精準(zhǔn)安排掃描儀與標(biāo)靶的位置。為了更好地反映出實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)精心挑選合適的測(cè)點(diǎn)，并且在采集的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意避免重復(fù)采集，從而節(jié)省大量的原始信息。此外，在采集過(guò)程中，也應(yīng)當(dāng)對(duì)該測(cè)試區(qū)的地貌、特征等進(jìn)行拍攝，以便后期的數(shù)據(jù)分析與地形圖制作。在進(jìn)行一次全面的檢查之后，我們需要確定有多少個(gè)目標(biāo)需要檢查。通過(guò)精確的掃描，我們可以從控制標(biāo)靶區(qū)域中挑選出一些點(diǎn)，并為它們?cè)O(shè)置獨(dú)特的標(biāo)識(shí)，最終，我們可以確定這些點(diǎn)的中心位置。

4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

地面三維激光掃描儀一次掃描只能取得測(cè)區(qū)局部的資料，想要取得測(cè)區(qū)完整的三維資料，通常必須從各個(gè)的地方經(jīng)過(guò)幾次掃描，每一次掃描取得的資料都處在以當(dāng)前測(cè)站為原點(diǎn)定義的某個(gè)局部坐標(biāo)系中。為此，必須在掃描范圍中配置若干監(jiān)控標(biāo)靶，才能允許同一的掃描點(diǎn)云圖有3 個(gè)或更多的同名監(jiān)控標(biāo)靶，利用同名監(jiān)控標(biāo)靶將掃描點(diǎn)云資料整合到同一個(gè)坐標(biāo)系下，這個(gè)步驟被稱為點(diǎn)云資料的配準(zhǔn)。配準(zhǔn)的基本方式有兩種：比較方法，該方法以某一掃描站的坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，其余各站的坐標(biāo)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)移到該站的坐標(biāo)系統(tǒng)下，比較方法掃描時(shí)只要求在各個(gè)站中間共用3 個(gè)上述同名標(biāo)靶才能達(dá)到坐標(biāo)統(tǒng)一，它不要求計(jì)算標(biāo)靶的絕對(duì)值坐標(biāo)，其重新統(tǒng)一后的坐標(biāo)是在某一掃描站坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，但一旦持續(xù)傳輸?shù)恼緮?shù)較多，則極易形成較大的傳遞誤差確定方法，這是一類將掃描儀和常規(guī)測(cè)定緊密結(jié)合的方法，其每站的標(biāo)靶坐標(biāo)是采用全站儀或任何儀器設(shè)備精確測(cè)量，直觀地得出標(biāo)靶的絕對(duì)值坐標(biāo)（如工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）。配準(zhǔn)時(shí)，各測(cè)站都垂直切換到一致的絕對(duì)坐標(biāo)系中。這個(gè)方法不出現(xiàn)多站坐標(biāo)系變換的傳輸錯(cuò)誤，其總體精確度一致。在地形測(cè)繪中，絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系通常是常用的方法。但是，如果要更精確地進(jìn)行測(cè)量，可以考慮將它們結(jié)合起來(lái)。在較小的范圍內(nèi)，應(yīng)該使用相對(duì)坐標(biāo)系，然后再將它們統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系中[11]。

4.3 地物的提取與繪制

通過(guò)使用點(diǎn)云技術(shù)，我們能夠從已經(jīng)精確匹配的點(diǎn)云信息中自動(dòng)獲得各種物體特征點(diǎn)，例如建筑物的邊緣點(diǎn)和電線桿上的點(diǎn)。此外，我們還能使用三維激光掃描技術(shù)，例如Leica 公司推薦的Cyclone 軟件，從點(diǎn)云信息中自動(dòng)獲得物體特征點(diǎn)，然后將其轉(zhuǎn)換為文字形態(tài)存儲(chǔ)。使用特定格式的文檔，如/PointNumber、Feature Code、EN、H0，就能夠輕松地將地物繪制在大型數(shù)字測(cè)量?jī)x器（如CASS）上。

4.4 地貌數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描技術(shù)可用來(lái)獲取全局的空間信息，其中涵蓋了地表的各種特征。然而，由于地物和樹種的存在，使得自動(dòng)繪制等高線變得困難。為解決這一問(wèn)題，目前尚未開發(fā)出一種可以進(jìn)行自動(dòng)清理的系統(tǒng)，來(lái)去除不符合地貌特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用華測(cè)導(dǎo)航旗下的CoPre 和CoProcess，我們可以有效地去除不符合實(shí)際情況的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.5 等高線生成

通常情況下，在進(jìn)行地面三維激光掃描時(shí)，我們需要使用更加精確的方法，因此，在這種情況下，我們需要使用更加稀疏的點(diǎn)，以便更好地捕捉和處理周圍的環(huán)境。為了更好地描述 景觀，我們通常會(huì)對(duì)去掉不必要的影響的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取更嚴(yán)格的分類處理。這樣，我們就能夠更準(zhǔn)確地描述景觀，并且能夠更快速地在大比例尺的數(shù)字測(cè)量軟件上創(chuàng)建出準(zhǔn)確的等高線。

4.6 自動(dòng)生成等高線

通過(guò)地形圖編輯，可以將地物圖像轉(zhuǎn)換為平面、梯度、波浪狀的復(fù)雜圖像，而在這個(gè)過(guò)程中，如果去掉一些重要的信息，可能會(huì)導(dǎo)致原有的平面出現(xiàn)凹凸、變化、不平整的情況，這時(shí)候就必須根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)人工干預(yù)來(lái)調(diào)整。通過(guò)添加高程標(biāo)志，構(gòu)建出完美的輪廓，并對(duì)其進(jìn)行精心裝點(diǎn)，以達(dá)到完美的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了公路水毀的災(zāi)害，在此基礎(chǔ)上利用三維激光進(jìn)行建模，主要闡述了三維建模的基本原理以及在此基礎(chǔ)上建立的步驟和方法，并且在此過(guò)程中給出了建模的步驟和方法，本項(xiàng)目最大的特色在于能夠及時(shí)、有效地獲取三維數(shù)據(jù)，建立起一個(gè)數(shù)字模塊，甚至構(gòu)建起一部分區(qū)域的數(shù)字地形，在災(zāi)害初期就能知道后續(xù)救災(zāi)過(guò)程中所需要的各類材料用量，為之后的救災(zāi)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。