三维激光扫描技术在震害调查中的应用1

陈 波 徐 超 温增平

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

三维激光扫描技术在震害调查中的应用1

陈 波 徐 超 温增平

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

三维激光扫描技术是近年发展起来的一门新技术。作为获取空间数据的有效手段，该技术以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。本文简要介绍了三维激光扫描仪的基本原理及工作流程，并以芦山7.0级地震为例回顾了该仪器在震害调查中的应用情况和现场工作特点，对破坏后实景建筑物点云数据的收集、拼接、分析处理及三维虚拟重现进行了实践和研究，最后分析并探讨了该仪器在地震应急及科学考察中的应用前景。

三维激光扫描 芦山地震 震害调查 虚拟重现 应用前景

陈波，徐超，温增平，2015.三维激光扫描技术在震害调查中的应用.震灾防御技术，10（1）：87—94.doi：10.11899/zzfy20150109

引言

三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”。该技术在近几年得到了飞速的发展，它能够完整并高精度地重建扫描实物，快速获得原始测绘数据；无需进行任何实物表面处理，即可真正的从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构；其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠，具有精度高、速度快、无接触测量、逼近原形等优点。正因为如此，该技术在测绘工程、土木工程、地震地质工程、逆向工程、三维城市建模以及文物保护等领域的应用越来越受到人们的关注。

以往有学者尝试将三维激光扫描技术应用于地震工程中，并取得了一定的成果（Olsen等，2009；Kayen等，2006；Chang等，2008；党晓斌，2011；袁小祥等，2012），特别是在2008年汶川8.0级特大地震的应急和灾后重建中，三维激光扫描仪发挥了积极的作用（董秀军等，2008；陆益红等，2011；赵俊兰等，2012）。在震后都汶公路的抢通工作中，采用三维扫描仪短期内完成了33处边坡的数据采集，为抢通工作赢得了宝贵时间。同时还获取了大量灾害隐患点的数据信息，形成各类有关地质灾害的基础性图件150余幅，为抢险决策、施工设计等工作提供了科学依据（董秀军等，2008）。另外，在汶川穿心店地震遗址的虚拟重建中也用到了三维激光扫描技术，最终以逼真的三维浏览界面展现了震后的实况，为地震文物档案的建立、地震科普以及地震遗址保护等提供了翔实的资料（赵俊兰等，2012）。但在更为广泛的地震现场，迫于恢复重建等原因，建筑、桥梁等震害现象的存在，往往时间较短，如何在第一时间有效地获取并保存这些宝贵的震害现象，一直是地震工程界所特别关注的问题之一。

2013年4月20日四川省芦山MS7.0级地震是2008 年汶川MS8.0级特大地震后，在龙门山断裂带上发生的又一次强烈地震。地震发生后，中国地震局地球物理研究所地震现场工作队在第一时间赶赴灾区开展应急工作，探索性地将激光三维扫描仪应用于地震现场工作中，迅速有效地获取了地震后建筑结构的破坏状态，为地震烈度评估及震害分析提供了真实精确的第一手资料。本文在此基础上，总结了三维激光扫描仪在地震中的应用前景，以期为今后的地震应急和科学考察工作提供更强大的技术支持。

1 三维激光扫描仪基本原理及工作流程

三维激光扫描仪主要由测距系统、测角系统及其他辅助功能构成，如内置相机双轴补偿器等。按照测距原理的不同，可分为脉冲式扫描仪、相位式扫描仪和三角测量式扫描仪。其中，脉冲式扫描仪测程最远，但精度随距离的增加而降低；相位式扫描仪适合于中程测量，测量精度较高；三角测量式扫描仪测程最短，但精度最高，适合于近距离、室内测量。无论是基于何种原理的扫描仪，其工作原理都是通过测距系统获取每个扫描点到扫描仪的距离S，再配合测角系统获取扫描的水平角α和垂直角φ，如图1所示。利用公式（1）即可计算出每一个扫描点（如p点）与扫描仪的空间相对三维坐标信息Xp、Yp、Zp，然后在扫描的过程中利用本身的垂直和水平马达等传动装置，完成对目标物体的全方位扫描，并最终获取扫描物体的点云数据（戚万权，2013；王珊等，2011；张启福等，2011）。

图1 三维扫描仪基本原理Fig. 1 Principle of 3D Laser Scanning

整个三维扫描的系统流程包括外业数据采集和内业数据处理两部分。其主要内容有：方案制定、外业扫描、点云数据处理、物体模型重建和数字化展示等，如图2所示。在进行野外扫描时，通过对现场扫描环境的勘察，选择扫描仪和拼接标靶的架设位置，以确保各站扫描的数据能够覆盖整个扫描区域，同时，需要扫描一定的公共标靶，实现不同站点云数据的拼接。外业获取的点云数据通过专业的后处理软件进行处理，为客户提供丰富的成果，如各种二维线画图、三维模型、动画效果等。

图2 三维激光扫描仪工作流程Fig. 2 Working flowchart of 3D Laser Scanning

2 三维激光扫描仪在芦山地震中的应用

在芦山地震应急中使用的是Leica ScanStation C10三维激光扫描仪，如图3所示。该仪器可以实现300m半径的全景扫描，扫描速度可达5万点/秒，扫描精度达到2mm，具体技术参数如表1所示（LeicaGeosystem，2011）。

表1 徕卡ScanStation C10主要技术参数Table 1 The main technical parameters and configuration of Leica ScanStation C10

由于芦山地震应急工作的主要内容是烈度评估，所以三维激光扫描仪的应用也是重点围绕该内容而展开。利用三维激光扫描仪采集了龙门乡街道、宝盛乡玉溪村和芦山县老街3个调查点的震害信息，包括建筑结构的三维点云图和震害影像资料，以此作为烈度评估的依据之一。

图4所示为以宝盛乡玉溪村为调查点，准备进行震害扫描。地震现场工作环境比较复杂，街区中建筑物的布局往往并不规整，另外余震较多，人员嘈杂，车流量较大也会对扫描工作造成一定的影响。在进行扫面工作之前，需要认真选择扫描站点，提高工作质量和效率。为了获取较为全面的震害信息，往往需要对一个调查点进行多站扫描。经过对玉溪村建筑物分布和震害情况的分析，沿该村主干道确定了3个站点（图4中黄色三角形标示的位置），用三维扫描仪对道路两旁的建筑进行三维坐标和影像扫描。然后通过Leica Cyclone软件进行点云拼接和去噪处理，即可得到玉溪村主干道两旁建筑整体的点云图（图4）。

图4 宝盛乡玉溪村的震害扫描及三维点云图Fig. 4 Scanning in the field at Yuxi village of Baosheng township and its 3D point cloud image

与普通相机获取的影像不同，通过这样的点云图可以对每一栋实体建筑进行精确测量，包括建筑高度、宽度，构件尺寸，墙体裂纹等。图5所示为芦山县城一典型民居破坏情况，通过三维扫描仪可以较为便捷的测量得到该建筑的特征信息，如底层层高为3300mm，二层层高为2900mm，墙厚为240mm，二层窗户尺寸为1500mm×1400mm等。特别是对于人不易直接接触的二层，可以很容易的精确测量得到重要的结构破坏信息，如二层右侧墙体外闪最大为198mm，墙体最大裂缝宽度为63mm等，这些都将为后期开展结构建模分析及灾害情景重现提供更为有效的数据支撑。

将调查点的影像资料附加至点云上，便可以得到调查点的三维实景图像，并通过Sitemap的形式给出，以方便浏览和网络发布。图6所示为以Sitemap形式给出的宝盛乡玉溪村三维实景图像，既可以通过鼠标滑动实现视角的改变，也可以通过选择仪器的位置在不同测站之间进行视角切换。另外，Sitemap图还提供了精确测量和标记的功能。可以看出，通过三维激光扫描技术可以将调查点的震害信息直观而又全面地展现出来，为烈度评估和震害资料的保存提供了多元化的手段。

图5 典型民居破坏情况实景图像Fig. 5 Real sitemap on damage of one typical house

图6 宝盛乡玉溪村的Sitemap三维实景图像（测站3的视场）Fig. 6 3D real sitemap of Yuxi village of Baosheng township（field perspective of scanstation 3）

3 三维激光扫描仪在地震中的应用前景分析

强烈地震不仅会造成建筑、桥梁等工程结构的破坏，也会导致一系列次生灾害的发生，如：山体滑坡、山体崩塌、泥石流等，这些次生灾害又会进一步造成道路的损毁和阻塞，大大增加了救援工作的难度，阻碍了救援工作的顺利展开。三维激光扫描技术的诸多优点正好满足了快速获取大量精确数据资料的要求，如何合理地运用该技术为应急救援赢得宝贵时间，以及为震后的科学考察工作提供强大的技术支持，进而为后续的科学研究提供宝贵的资料，值得深入思考和探讨。

（1）震后桥梁的评估和监测

震后对重要桥梁进行损伤评估并确定其破坏等级是保障救援工作顺利进行的基础之一。桥梁震害主要表现为落梁、挡块损坏、上部结构横向和纵向移位、支座和伸缩装置损坏、桥墩移位等。运用三维激光扫描仪对受损桥梁进行整体扫描，借助专业软件对所获得的点云进行拼接和建模，可以获取桥梁的精确三维信息，为评估人员确定桥梁的受损情况及其破坏等级提供可靠的资料。另外，通过比较不同时段的多次扫描结果，可以监测桥梁的细微变形，为分析余震对桥梁的影响提供依据。

（2）山体滑坡调查和监测

地震发生后，为了快速恢复交通和基础设施，并避免二次次生灾害的发生，需要对山体滑坡进行排查和监测，其工作量巨大，工作环境恶劣，传统的测绘方式往往效率比较低，精度也不高。三维激光扫描技术则可以实现快速测绘、精确测量，高效率获取完整的滑坡三维信息点云数据。结合现场地质调查结果和三维点云数据，可以对滑坡进行地质灾害分区及滑坡体表面局部危险岩体进行定位。在此基础上可进一步获取危险岩体或者变形体的长度、宽度等数据，有助于了解滑坡体的破坏程度和估算方量。利用扫描获取的滑坡体三维数据由专门的地形生成软件进行处理，可以得到常用的地质等高线图件。另外，通过定期多次扫描，可以监测滑坡体的变化情况，为灾害治理提供可靠的资料。

（3）堰塞湖地形调查和监测

采用三维激光扫描仪进行堰塞湖的地形调查时，首先从不同角度多次扫描以获取大量堰塞湖地表的三维坐标点数据，然后结合高精度GPS所测量的特征点的大地坐标，可以建立堰塞湖的数字地形模型。根据三维地形模型及扫描数据分析可得堰塞体的高度、坝体宽度、堰塞体体积、堰塞湖上下游水位等信息，为抢险的科学和快速决策提供有力的技术支撑。

（4）典型工程结构的震害调查和测量

三维激光扫描技术为典型工程结构的震害调查和科考提供了新的手段。不仅可以全方位获取工程结构震害情况的三维影像，而且可以精确测量工程结构破坏的定量参数，如楼层侧移、裂缝宽度、桥面的位移等。根据对工程结构三维扫描所获取的点云数据，可以生成结构的三维实体模型，为数值分析模型的建立提供便利条件和精度保障。此外，工程结构破坏的定量参数也可以作为数值分析结果的参考。

4 结语

三维激光扫描技术已在众多领域发挥着越来越重要的作用，并且具有很好的应用前景，然而该技术在地震工程方面的应用还不够深入。本文通过三维激光扫描仪在芦山7.0级地震现场工作中的应用，总结和探讨了该仪器在地震应急及科学考察中的应用前景。在芦山地震中的实践应用证明，三维激光扫描仪可以为烈度评估提供更为多元化的手段，特别是精确有效地保存了地震后建筑结构的破坏状态。基于三维激光扫描技术的诸多优点，其有望在地震应急和科考中发挥更加明显的作用，包括震后桥梁的评估和监测、山体滑坡调查和监测、堰塞湖地形调查和监测，以及典型工程结构的震害调查和测量等方面。

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The Applications of 3D Laser Scanning Technology in Seismic Damage Survey

Chen Bo， Xu Chao and Wen Zengping
（Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China）

Three-dimensional（3D）laser scanning technology has been developed in recent years. As an effective means of collecting spatial data， this technology plays an increasingly important role in many fields， with its fast，accurate， non-contact measurement and other advantages. This article briefly introduces the principle and workflow of three-dimensional laser scanner. A case study of Lushan 7.0 Earthquake is provided to summerize the equipment's application in seismic damage survey and its work characteristic in post-earthquake field. Based on this，practical studies have been carried out on the collection， splice， process and virtual reproduction of point cloud data of real damaged buildings. Furthermore， the potential applications of the instrument are also discussed with the earthquake emergency and scientific investigation.

3D laser scanning；Lushan earthquake；Seismic damage survey；Virtual reproduce；Application prospect

地震行业基金（201408014-08）、国家科技支撑（2015BAK18B01，2012BAK15B01-07）、国家自然科学基金（51378477）和中国地震局地球物理研究所基本科研专项（DQJB13B01）共同资助

2014-01-14

陈波，男，生于1987年。助理研究员。主要从事建筑结构抗倒塌及地震动输入确定研究。E-mail：chenbo@cea-igp.ac.cn

温增平，男，生于1964年。研究员。主要从事地震工程学研究。E-mail：wenzp@cea-igp.ac.cn