時(shí)丕旭

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段,在路基、隧道口等構(gòu)筑物附近滑坡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,影響構(gòu)筑物穩(wěn)定性,對(duì)人民財(cái)產(chǎn)和生命安全構(gòu)成威脅[1-2]。因此,如何高效處理滑坡災(zāi)害,將損失降低至最小顯得尤為重要?；氯S實(shí)景模型可為施工處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如何高效獲取滑坡體三維模型參數(shù),是滑坡體病害整治的關(guān)鍵。

為快速實(shí)現(xiàn)滑坡等災(zāi)害整治,國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。韓彬等利用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合Charge Coupled Device(簡(jiǎn)稱(chēng)“CCD”)攝像機(jī),研究三維激光掃描在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的可行性[3];趙立都等采用多期地面三維激光掃描的滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù),研究地面三維激光掃描在滑坡監(jiān)測(cè)中基準(zhǔn)的統(tǒng)一性[4];黨杰等以貴州水城獨(dú)家寨崩塌地質(zhì)災(zāi)害為依托,采用機(jī)載Light Detection and Ranging(簡(jiǎn)稱(chēng)“LIDAR”)與地面三維激光掃描相融合的方法,對(duì)滑坡等災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)[5];南竣祥等以沿黃公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害為依托,研究三維激光掃描監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的可行性,制作完成的彩色三維模型可用于成果展示及數(shù)據(jù)分析[6]。

綜上所述,獲取滑坡等地質(zhì)災(zāi)害三維坐標(biāo)的手段較多,常見(jiàn)的有傳統(tǒng)人工測(cè)量、機(jī)載LIDAR、地面三維激光掃描(簡(jiǎn)稱(chēng)地面LIDAR)等。其中,地面LIDAR技術(shù)具有現(xiàn)場(chǎng)靈活、操作簡(jiǎn)單、高速度、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化、非接觸等優(yōu)點(diǎn)[7]。以寶蘭高鐵上莊隧道出口滑坡為例,采用地面LIDAR技術(shù)優(yōu)化布設(shè)掃描站點(diǎn),以無(wú)靶標(biāo)掃描方式獲取鐵路滑坡體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、全景影像等構(gòu)建三維實(shí)景模型,輔助滑坡災(zāi)害整治。

1 地面LIDAR工作原理

地面LIDAR由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、控制器和電源供應(yīng)系統(tǒng)共同組成[8],是一種集成了激光測(cè)距、激光掃描及校正系統(tǒng)等多種高新技術(shù)的新興空間信息數(shù)據(jù)獲取手段[9-10]。

地面LIDAR掃描模塊工作中,動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)反射棱鏡,將激光光束順著掃描方向掃過(guò)被測(cè)物體,激光測(cè)距模塊測(cè)量激光發(fā)射、返回時(shí)間和激光相位,可自動(dòng)計(jì)算出物體上每一點(diǎn)至掃描儀的距離,即

(1)

式中,Δt為返回時(shí)間;S為被測(cè)物和掃描儀之間的距離;C為光速。

同時(shí),控制器測(cè)量每個(gè)脈沖激光束的水平角α和天頂距θ,根據(jù)極坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式,把激光發(fā)射處定位為坐標(biāo)原點(diǎn)[11]。由此可得被測(cè)物體表面點(diǎn)P坐標(biāo),計(jì)算公式為

(2)

所獲取被掃描物體的點(diǎn)云影像具有可量測(cè)性,且三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集無(wú)需光源,可在夜間或黑暗的作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行掃描[12],可操作性較強(qiáng)。

2 無(wú)靶標(biāo)掃描研究

2.1 儀器設(shè)備

本次選用RiEGL VZ-2000i三維激光掃描儀,其測(cè)距為2 500 m,精度為5 mm,數(shù)據(jù)采集速度最高可達(dá)500 000點(diǎn)/s。另外,RiEGL VZ-2000i獨(dú)有的全波形雷達(dá)技術(shù),可進(jìn)行回波數(shù)字化、實(shí)時(shí)波形處理、多波束收發(fā)處理,即使在可見(jiàn)度低、多重目標(biāo)的惡劣情況(粉塵、霧霾、植被、小雨)下,也能正常工作。

RiEGL VZ-2000i三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀主機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電池等組成,儀器設(shè)備見(jiàn)圖1。掃描儀主機(jī)獲取體被測(cè)物體表面的點(diǎn)云,數(shù)據(jù)相機(jī)拍攝全景影像,為點(diǎn)云貼附真實(shí)紋理,電池為掃描儀主機(jī)和相機(jī)供電?，F(xiàn)場(chǎng)需采用RTK設(shè)備測(cè)量掃描儀測(cè)站對(duì)中點(diǎn)坐標(biāo)和高程,并量取掃描儀高。

圖1 外業(yè)儀器設(shè)備Fig.1 Field equipment

2.2 無(wú)靶標(biāo)掃描測(cè)量

傳統(tǒng)的地面三維激光掃描儀測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)需在掃描范圍內(nèi)均勻布設(shè)公共的靶球[13],用于站點(diǎn)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。而本次掃描無(wú)需布設(shè)靶球,通過(guò)識(shí)別測(cè)站間重疊點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)拼接,為滑坡三維實(shí)景建模外業(yè)測(cè)量節(jié)約大量時(shí)間。將地面三維激光掃描儀架設(shè)在已知點(diǎn)上開(kāi)展外業(yè)數(shù)據(jù)采集,通過(guò)發(fā)射激光脈沖獲取具有真實(shí)三維坐標(biāo)的物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)[14],外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程見(jiàn)圖2。

圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程Fig.2 Field data collection process

以寶蘭高鐵上莊隧道出口滑坡為例,滑坡影響范圍約0.2 km2,嚴(yán)重威脅鐵路安全運(yùn)營(yíng),現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖3。由圖3可知,滑坡現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,人員無(wú)法直接到達(dá)滑坡體位置,傳統(tǒng)人工RTK測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn),故決定采用地面LIADR技術(shù)采集滑坡體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù),降低外業(yè)測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn),提高作業(yè)效率。

圖3 上莊隧道出口滑坡現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境Fig.3 Site environment of landslide at the exit of Shangzhuang Tunnel

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集前,需設(shè)計(jì)掃描站點(diǎn)位置,通過(guò)勘查滑坡周?chē)h(huán)境,優(yōu)化布設(shè)的掃描站點(diǎn),實(shí)現(xiàn)地面LIDAR掃描的最大視場(chǎng)范圍并保證相鄰站點(diǎn)間點(diǎn)云重疊度。再利用實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)GPS-RTK采集站點(diǎn)坐標(biāo)和高程,地面三維激光掃描儀布置在設(shè)計(jì)的站點(diǎn)上,并量取每一站的儀器高,采集滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集見(jiàn)圖4。

圖4 鐵路滑坡現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集Fig.4 Point cloud data acquisition of railway landslide site

應(yīng)合理設(shè)置站點(diǎn)間隔,若間隔太大,則采集的點(diǎn)云稀疏,不利于后期點(diǎn)云拼接;若間隔太小,則采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大,為后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)麻煩,造成不必要的浪費(fèi)。在現(xiàn)場(chǎng)通視良好的情況下,掃描站點(diǎn)間隔宜設(shè)置為60 m,以保證相鄰掃描站間有足夠的重疊區(qū);若通視情況較差,則應(yīng)適當(dāng)增加掃描站數(shù),以保證后續(xù)點(diǎn)云拼接精度。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)采集完成后,對(duì)點(diǎn)云和影像進(jìn)行預(yù)處理[15],點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理流程見(jiàn)圖5。

圖5 點(diǎn)云預(yù)處理流程Fig.5 Point cloud preprocessing flow

3.1 點(diǎn)云拼接

三維建模過(guò)程中,需要對(duì)不同測(cè)站的點(diǎn)云進(jìn)行拼接[16]。本次在寶蘭高鐵上莊隧道出口滑坡周?chē)矑呙?站,均利用RTK設(shè)備采集掃描儀對(duì)中點(diǎn)坐標(biāo)和高程,量取儀器高,獲取掃描站點(diǎn)中心坐標(biāo)和高程。在RiSAN PRO軟件中,將每一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)中心坐標(biāo)匹配,手動(dòng)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云,再進(jìn)行自動(dòng)拼接,計(jì)算出本次點(diǎn)云拼接精度為6.9 mm,滿(mǎn)足三維建模精度要求[17],點(diǎn)云自動(dòng)拼接結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 點(diǎn)云拼接計(jì)算結(jié)果Fig.6 Point cloud splicing results

3.2 點(diǎn)云去噪

地面三維激光掃描中,人員走動(dòng)或物體高反射會(huì)影響采集的點(diǎn)云質(zhì)量,滑坡附近有部分積水,掃描過(guò)程中易出現(xiàn)水體鏡面反射影響點(diǎn)云質(zhì)量,局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。圖中的黑色部分即為水體影響,拼接完成后應(yīng)對(duì)影響點(diǎn)云質(zhì)量的噪點(diǎn)進(jìn)行刪除,完成點(diǎn)云去噪[18]。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)(局部)Fig.7 Point cloud data (partial)

在RiSCAN PRO軟件中,噪點(diǎn)去除采用人工刪除和自動(dòng)刪除相結(jié)合的方式。對(duì)于滑坡現(xiàn)場(chǎng)雜草等植被產(chǎn)生的噪點(diǎn),采用軟件自動(dòng)濾除;在掃描儀周?chē)叭藛T走動(dòng)產(chǎn)生的噪點(diǎn),采用人工刪除,自動(dòng)過(guò)濾和人工刪除噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

圖8 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 Point cloud data after denoising

3.3 影像預(yù)處理及紋理貼附

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,在每一測(cè)站掃描完成后,三維激光掃描儀搭載的相機(jī)自動(dòng)采集360°范圍的影像,一般每測(cè)站采集6張影像用于合成全景影像后。對(duì)于個(gè)別質(zhì)量較差影像,調(diào)整對(duì)比度、曝光度、飽和度等。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪等完成后,可根據(jù)拍攝的影像貼附點(diǎn)云真實(shí)色彩[19],真實(shí)紋理貼附后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。

圖9 真實(shí)紋理貼附的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.9 Point cloud data attached to a real texture

4 三維實(shí)景建模及應(yīng)用

4.1 三維建模

滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、降噪、真實(shí)紋理貼附等預(yù)處理后,通過(guò)點(diǎn)云封裝,生成三角網(wǎng),再根據(jù)點(diǎn)云分布位置生成模型。

封裝后的點(diǎn)云由于去噪等操作可能會(huì)出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,需對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化。在多邊形階段,應(yīng)刪除三角形并采用最小二乘算法擬合曲面[20],再根據(jù)滑坡現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。在軟件中執(zhí)行Smooth and decimate操作,在保證曲面結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,減少多邊形數(shù)量,使模型更加光滑,滑坡三維實(shí)景模型見(jiàn)圖10。

圖10 滑坡三維模型Fig.10 Three-dimensional model of landslide

在對(duì)模型的處理過(guò)程中,不改變模型表面的紋理走向,填補(bǔ)模型漏洞時(shí),應(yīng)盡量沿物體的實(shí)際紋路進(jìn)行處理。處理完成后,可以看出滑坡的真實(shí)形態(tài)和特征,并能實(shí)現(xiàn)二次量測(cè),這是傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法達(dá)到的。

4.2 精度分析

在生成的三維實(shí)景模型中提取部分特征點(diǎn)坐標(biāo),現(xiàn)場(chǎng)采用RTK在相應(yīng)位置實(shí)測(cè)坐標(biāo),平面坐標(biāo)及高程對(duì)比均小于5 cm,說(shuō)明三維實(shí)景模型精度優(yōu)于5 cm,可滿(mǎn)足1：500地形圖和滑坡土方量預(yù)估的精度要求。

4.3 三維模型應(yīng)用

生成的滑坡三維模型可進(jìn)行二次量測(cè),根據(jù)生產(chǎn)需要在模型中生成等高線(xiàn),輔助地形圖制作。計(jì)算土石方量,在RiSCAN PRO軟件中,可以計(jì)算出滑坡處缺失的土方量,可直接預(yù)估出滑坡加固所需的土方量,輔助施工。三維模型還可用于隧道病害監(jiān)測(cè)、滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、大壩變形監(jiān)測(cè)、鐵路選線(xiàn)輔助決策等[21]。建立的三維實(shí)景模型在軟件中可錄制視頻,可直觀展現(xiàn)滑坡體及周?chē)h(huán)境的全貌,便于制定滑坡災(zāi)害整治方案。

5 結(jié)語(yǔ)

滑坡災(zāi)害嚴(yán)重影響鐵路安全運(yùn)營(yíng),且人員難以直接到達(dá)滑坡體表面,傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法獲取滑坡體表面的三維坐標(biāo),而地面LIDAR克服了滑坡現(xiàn)場(chǎng)接觸測(cè)量的困難,可快速獲取滑坡體及周?chē)匚锉砻娴娜S點(diǎn)云數(shù)據(jù)。另外,采用該方法現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需布置靶標(biāo),通過(guò)測(cè)站間重疊點(diǎn)云拼接,再經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理即可生成滑坡三維實(shí)景模型。建立的滑坡三維模型具有可量測(cè)性,可直接在模型中生成等高線(xiàn),計(jì)算土方量、表面積等,輔助滑坡災(zāi)害整治。