馮彥磊，馬秋禾，賁 進(jìn)，雷 蓉，薛意盟

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001）

三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

馮彥磊1，馬秋禾1，賁 進(jìn)1，雷 蓉1，薛意盟1

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001）

由于三維激光掃描技術(shù)具有高效、快速、高分辨率、非接觸、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此次作業(yè)過程中采用三維激光掃描技術(shù)對地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行了2次掃描，獲取點云數(shù)據(jù)后使用Leica Cyclone進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后再利用Geomagic studio構(gòu)建三維模型，通過對比獲得該地區(qū)的變化情況。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測；三維激光掃描；點云數(shù)據(jù)；三維建模

激光測量技術(shù)萌芽于20世紀(jì)80年代，利用激光的單色性、方向性、相干性、高亮度等特點將激光引入測量裝置中，并表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。激光測量方法采用非接觸方式快速獲取海量地面點測量數(shù)據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了有效的監(jiān)測手段。

1 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法

現(xiàn)階段各行業(yè)使用的監(jiān)測方法有多種，如控制網(wǎng)測量方法、航空攝影測量方法、物理化學(xué)場監(jiān)測、核磁共振技術(shù)等[1]。

1）控制網(wǎng)監(jiān)測方法。在地質(zhì)災(zāi)害點布設(shè)大地測量控制點或GPS點，通過測量點的位移情況來分析地質(zhì)災(zāi)害點地形變化。該方法操作簡單、直觀性強(qiáng)、技術(shù)成熟且精度較高[2]，但是只能表達(dá)離散點的位移變化情況，不能全面、完整、連續(xù)地表達(dá)地形變化。

2）航空攝影測量方法。航空攝影測量技術(shù)是通過不同時期的地質(zhì)災(zāi)害隱患點的航片制作大比例尺地形圖、DEM、DOM來獲得地形變化情況，并以此為依據(jù)分析和預(yù)報災(zāi)害。該方法受天氣影響較大，云層遮蓋、水汽折射以及地面非地形因素的干擾使拍攝的航片難以完全表達(dá)地表形態(tài)，而且圖像的處理難度較大、作業(yè)費(fèi)用昂貴、作業(yè)周期長，影響災(zāi)害的應(yīng)急處理。航空攝影測量獲取的影像數(shù)據(jù)可作為基礎(chǔ)資料對測區(qū)周邊環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)充，以便日后監(jiān)測。

3）車載移動測量設(shè)備。采用移動測量車以及相關(guān)設(shè)備對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行移動掃描拍攝，該方法集成了GPS定位技術(shù)、慣導(dǎo)裝置、激光掃描、攝影測量等技術(shù)，可快速獲取點云數(shù)據(jù)[3]，但該方法受地域限制，不能快速到達(dá)山區(qū)等難以通行的地區(qū)。

4）其他監(jiān)測方法。其他監(jiān)測方法如物理化學(xué)場監(jiān)測、地下水監(jiān)測等，這些方法需要用到相應(yīng)的專業(yè)儀器，且只針對較小區(qū)域的監(jiān)測。

2 三維激光掃描監(jiān)測

鑒于以往傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的不足，本次作業(yè)采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。三維激光掃描技術(shù)可以獲取海量地面點三維坐標(biāo)，直觀表達(dá)掃描區(qū)域的三維景觀，并且精度高、掃描速度快、實時性強(qiáng)、使用方便、適用范圍廣、適用時間長，因此能夠更好地服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。

2.1 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀按照掃描距離可分為航空激光掃描系統(tǒng)、長距離激光掃描系統(tǒng)、中距離激光掃描系統(tǒng)、短距離激光掃描系統(tǒng)；按照搭載平臺可分為機(jī)載（星載）激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)；按照工作原理可分為脈沖測距型、相位干涉型和三角法掃描系統(tǒng)。

本次作業(yè)采用Leica Scanstation C10型三維激光掃描儀，該掃描儀使用脈沖測距技術(shù)，由一臺高速激光測距儀和一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡構(gòu)成。掃描范圍為0.1 m～300 m，掃描速度最高50 000點/秒，單次測量點位精度6 mm，單次測距精度4 mm，標(biāo)靶獲取精度2 mm，垂直方向角270°，水平方向角360°。

2.2 作業(yè)原理

三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，利用激光發(fā)射和傳回到接收器的時間差計算目標(biāo)點P與掃描儀的距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度α和縱向掃描角度β（如圖1）[4]。目標(biāo)點P的坐標(biāo)計算公式為：

圖1 三維激光掃描儀作業(yè)原理

3 作業(yè)過程

河北省邢臺市西部地區(qū)多為丘陵地貌，較易發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流和塌陷等自然災(zāi)害，災(zāi)害隱患點周邊環(huán)境復(fù)雜，受周邊居民建筑和植被覆蓋的影響，依靠車載移動測量裝備獲得的測量數(shù)據(jù)有限，不能滿足地質(zhì)災(zāi)害評估的需要。

為減少自然災(zāi)害造成的損失，有關(guān)部門要求定期對地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行監(jiān)測。由于測區(qū)內(nèi)植被折射的點云過多，到達(dá)地面的有效點云數(shù)量有限，影響地形數(shù)據(jù)的獲取，因此選擇在3月和5月進(jìn)行掃描作業(yè)，并利用航空攝影技術(shù)獲取災(zāi)害點周邊區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。作業(yè)流程圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程

3.1 準(zhǔn)備工作

相關(guān)的準(zhǔn)備工作有：

1）資料收集。收集測區(qū)相關(guān)資料，如交通圖、行政區(qū)劃圖和已有的影像圖、地形圖等。

2）測區(qū)踏勘。現(xiàn)場勘查地質(zhì)災(zāi)害隱患點的實際位置、面積、災(zāi)害類型、植被覆蓋、交通路線等，確定作業(yè)方案并標(biāo)繪于資料圖上。

3）測站布設(shè)。在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)GPS監(jiān)測點，個數(shù)不少于12個，間距不大于150 m，呈球形標(biāo)靶分布，不處于一條直線上，以保證全面客觀地監(jiān)測到整個區(qū)域。GPS監(jiān)測點應(yīng)埋設(shè)在相對穩(wěn)定的地方，要能夠長期保存并且不易受到破壞。

3.2 掃描作業(yè)

作業(yè)前檢查儀器是否正常，是否帶齊配件，包括電池組、三腳架、球形標(biāo)靶、數(shù)碼相機(jī)等輔助設(shè)備。

在測站位置做臨時標(biāo)記，標(biāo)明站點號；架設(shè)三維激光掃描儀，安置儀器并整平；測量儀器高，取兩次測量平均值。

記錄相關(guān)內(nèi)容，如操作員、觀測時間、測站號、儀器高、標(biāo)靶號等。在監(jiān)測點上水平放置球形標(biāo)靶，注意清除儀器與標(biāo)靶之間的樹木等遮擋物，必要時可使用三腳架。一個測站內(nèi)保證有至少3個標(biāo)靶，但實際作業(yè)過程中為保證掃描精度，每個測站一般布設(shè)4個標(biāo)靶，確保掃描數(shù)據(jù)的拼接。記錄員繪制簡圖，記錄測站和標(biāo)靶之間的相對位置關(guān)系。

開始掃描之前，在掃描儀主菜單下建立測區(qū)目錄，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括附屬相機(jī)曝光量和分辨率（1 920×1 920像元）、掃描分辨率（100 m內(nèi)點間隔為5 cm）、掃描范圍。然后選擇全景三維掃描，掃描方式為“掃+照”。

掃描時，無關(guān)人員不得逗留在掃描區(qū)域內(nèi)，且掃描區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量減少遮擋物。

“全景掃+照”結(jié)束后再單獨對該測站內(nèi)的球形標(biāo)靶進(jìn)行二次掃描，這樣有利于點云數(shù)據(jù)處理時尋找標(biāo)靶位置和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本次作業(yè)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000平面坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為CGCS2000大地高，高斯-克呂格投影中央經(jīng)線為114°。

3.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

把每天的工作數(shù)據(jù)導(dǎo)出，檢查點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)完整性、連接點是否可用、是否滿足拼接要求等。

發(fā)現(xiàn)問題及時處理，必要時進(jìn)行補(bǔ)測。

3.3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Cyclone軟件是Leica三維激光掃描儀配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件，可以在該軟件中進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的瀏覽和相關(guān)操作。

1）拼接。依次將各測站的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Cyclone軟件中，擬合測站內(nèi)標(biāo)靶，以連接點在測站的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，通過約束條件對坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，然后將不同測站的點云數(shù)據(jù)拼接在一起，形成一個統(tǒng)一的任意坐標(biāo)系的整體區(qū)域。分站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接時，最大誤差不得超過0.006 m，該過程也稱為配準(zhǔn)。

2）點云統(tǒng)一化。將多塊點云合成一個單一有效的點云。

3）坐標(biāo)系歸化。導(dǎo)入測區(qū)內(nèi)，用控制點的大地坐標(biāo)將控制點與點云數(shù)據(jù)作聯(lián)合平差，計算殘差應(yīng)小于2 cm，然后將整個測區(qū)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系中。

4）點云賦色。通過軟件對相機(jī)拍攝的紋理影像和掃描的黑白點云匹配，生成具有色彩信息的點云數(shù)據(jù)。

5）過濾。在掃描時樹木、房屋、行人等非地形要素也會被掃描并構(gòu)成點云，而這些點云數(shù)據(jù)并不參與地形變化分析，應(yīng)使用Cyclone軟件的剖面切割、視角轉(zhuǎn)換等功能將其刪除[5]。

3.3.3 構(gòu)建三維模型

三維建模是指對三維物體建立適合于計算機(jī)處理和表示的數(shù)學(xué)模型。本次作業(yè)采用Geomagic studio軟件進(jìn)行建模。該軟件是通過掃描點云自動生成數(shù)字模型的逆向工程軟件，可創(chuàng)建一個最優(yōu)化的擬合曲面外形。

首先將處理好的*.XYZ格式點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic studio（見圖3）軟件中，去除因折射或錯誤造成的飛點，然后統(tǒng)一采樣，降低點云密度，使平坦曲面上的點數(shù)目減少量一致，可以加快處理速度。采樣之后將離散的點云數(shù)據(jù)封裝建立TIN模型（見圖4），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)填充，填補(bǔ)因刪掉樹木、房屋等造成的數(shù)據(jù)漏洞（見圖5）。對該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，“網(wǎng)格醫(yī)生”功能可以自動修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的缺陷，刪除被選中的有錯誤的三角形，多次重復(fù)進(jìn)行，直到完全消除錯誤。此時三維模型即可真實顯示地表起伏狀況[6]。

圖3 導(dǎo)入的點云數(shù)據(jù)

圖4 封裝后的點云

圖5 填充后的點云

3.4 三維模型分析

將兩個監(jiān)測時期獲取的地質(zhì)災(zāi)害隱患點的三維模型進(jìn)行分析，計算兩個模型的體積偏差大小，在偏差分析圖中以不同顏色表示地形數(shù)據(jù)變化情況，并與給定限差相比較，分析地形變化情況。同時對兩個時期的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析監(jiān)測點的沉降狀況，對該地區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

圖6中兩個監(jiān)測時期的三維模型的偏差分析結(jié)果和GPS監(jiān)測點比較結(jié)果說明，該區(qū)域地形變化在允許范圍內(nèi)，暫時沒有發(fā)生災(zāi)害的跡象，目前較安全。

圖6 偏差分析圖

4 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)可以高精度、高效率、高密度地獲取監(jiān)測區(qū)域的點云數(shù)據(jù)[7]，能更準(zhǔn)確、快速、高效、低成本地完成地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測任務(wù)，該技術(shù)以其良好的監(jiān)測效果在相關(guān)部門得到了很好的應(yīng)用。隨著軟件國產(chǎn)化進(jìn)程的加快、功能的升級、硬件費(fèi)用下降以及深入的研究，三維激光掃描技術(shù)將會有更廣泛的應(yīng)用[8-9]。

[1] 韓子夜,薛星橋.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2005,16(3):138-141

[2] 李全寶.GPS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中的應(yīng)用研究:以新沂市馬陵山為例[J].城市勘測,2007(6):69-70

[3] 王輝.車載激光測量系統(tǒng)誤差分析及控制[J].測繪地理信息,2015,40(4):70-72

[4] 宋宏.地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].測繪技術(shù)裝備,2008(2):40-43

[5] Leica Geosystems HDS Cyclone培訓(xùn)手冊[Z].徠卡測量系統(tǒng)股份有限公司,2009

[6] Leica Scanstation C10使用手冊[Z].徠卡測量系統(tǒng)股份有限公司,2011

[7] 習(xí)曉環(huán),駱社周,王方建,等.地面三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展評述[J].地理空間信息,2012,10(6):13-15

[8] 謝宏全,侯坤.地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2013

[9] 張啟福,孫現(xiàn)申.三維激光掃描儀測量方法與前景展望[J].北京測繪,2011(1):39-42

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B

1672-4623（2016）10-0098-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.031

馮彥磊，碩士研究生，研究方向為攝影測量。

2015-11-27。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41271391）。