三维激光扫描技术在地质灾害体测绘生产中的应用

■赵海军

（新疆地矿局第一水文工程地质大队新疆乌鲁木齐830091）

三维激光扫描技术在地质灾害体测绘生产中的应用

■赵海军

（新疆地矿局第一水文工程地质大队新疆乌鲁木齐830091）

三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新兴测绘技术，该技术已广泛应用于工程建设与物体三维测量等测绘及相关领域，具有高效率、高精度的独特优势。本文在介绍三维激光扫描仪的应用、研究现状及工作原理的基础上，通过地面三维激光扫描仪实地测量，获取此次泥石流滑坡高精度三维地理信息数据，为以后的灾后重建与防御工作提供第一手资料。在野外调查的基础上，分析了此次泥石流灾害的特征，并从其形成条件入手，探讨了此次灾害的成因和未来发展趋势。

三维激光扫描仪 泥石流 测量 地质灾害

地面三维激光扫描技术是近几年发展起来的一种新兴技术，但是在一些国家和领域已经发展成熟并得到广泛应用。地面三维激光扫描系统集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段与工具，国际上对这一技术的研究与应用已有一定的成果，而国内尚处于起步阶段，尤其在地灾点区域的测绘生产方面。近些年，我国自然灾害频发，滑坡、泥石流等地质灾害经常发生，及时获得这些地灾点的三维地理信息对于其灾后重建与防御工作显得尤为重要。由于这些地灾点多高陡险峻，次生灾害随时发生，对于这些地灾点应用传统的测绘和地质调查方法不仅费时、费力并具有较高危险性，而且通常很难得到令人满意的结果。三维激光扫描技术在变形监测、地形测量、工程开挖、数字地形建模、地质调查、减灾防害等方面的应用，使笔者的工作方法与思路得到了扩展。中、长距离三维激光扫描技术的出现与发展，为地灾点的调查研究提供了一种新的办法，是对传统测量方法的有益补充。本文在对该项技术的现状进行简单介绍的基础上，结合工程实例，阐述应用该项技术快速获取泥石流地灾点高精度三维地理信息数据，为以后的灾后重建与防御工作提供第一手资料。

1　三维激光扫描的优点

与传统的仪器相比，三维激光扫描仪在使用上具有非常显著的优点，主要体现在以下几个方面：①可以全天候作业。由于采用的是激光，无需太阳光，因此，三维激光扫描仪在黑暗的环境中照样可以正常工作，例如隧道中或地下矿井中。②扫描的数据密度可以调节，根据不同距离，点间距可设小于1 mm或大于1 000 mm。③高精度。三维激光扫描仪的精度可以工作的范围内可达到1 cm，模型化后的精度更可达3 mm，可以充分满足大部分的测量需求。

2　三维激光扫描与传统测量的区别

与全站仪等单点采集三维数据的方法相比，三维激光扫描仪无需设置反射棱镜，无接触测量，在人员难以企及的危险地段使用优势明显；突破了单点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，对目标描述细致、采样速率高。这都是传统方法难以实现的。但缺点是比全站仪的测量精度低。三维激光扫描仪与以光学摄影测量为原理的近景摄影测量及航空摄影测量的获取结果不同：摄影测量获取的是影像照片，而激光扫描获取的是三维点云数据；获取的数据格式不同：摄影测量数据拼接采用相对或绝对定向方式，三维激光扫描采用数据的坐标匹配方式。另外，两者拼接各测站间数据的方式、解析方法、测量精度、测量环境要求（摄影测量对环境光线、温度要求高）和数据处理方式也不同。

3　地面三维激光扫描仪及其工作原理

地面激光扫描仪是一个由多个部件组成的复合系统，包括地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备，通过非接触式高速激光测量方式获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据，最后通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，并可以以多种不同的格式输出，从而满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。三维激光扫描技术，通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标（云点），进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型（图1）。

图1　扫描点坐标计算原理

3.1外业工作流程

一般来说，由于扫描仪扫描范围的限制，三维激光扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描体的完整点云数据，反映一个扫描实体信息通常要由若干幅扫描才能完成。因此，扫描中要求相近场景的2次扫描要有一定的重叠部分，以便在处理软件中对扫描得到的点云数据进行拼接匹配。故在扫描前应对扫描场地进行初步踏勘，合理设置仪器的架设方案。科学合理地架设扫描机位，对采集高质量三维数据、提高测量精度、全面反映场景细节有着十分重要的意义。扫描过程中可以根据工程需要与现场条件配合定位系统（GPS）一起使用，对扫描场景内的明显地物点、扫描机位点进行精确的坐标测量，以便在后期处理中进行大地坐标转换。

3.2实地踏勘选点

结合实际，选择合理的测量控制点。选点时应:（1）确保两点之间尽可能通视，以便能有一定的公共区域；（2）选择地理位置较高视野广阔的点，从而获取更多的有效数据。

3.3数据采集

（1）调试相机。根据测量环境的光亮成度来调节标配外挂单反相机的曝光时间，以便获取更加真实的影像数据。此次扫描工作正处十月中旬，入冬的四川气候条件湿润，山间雨雾较多，所以单张照片拍照时长应相对长一些。

（2）架设仪器并记录相关信息。将扫描仪架设于踏勘的控制点上，对中整平，记录并量取设备仪器高。

（3）操控仪器采集数据。具体步骤包括:接通电源、连接笔记本电脑、新建项目、开始扫描、搬站。在每个站点开始扫描之前，需对站点参数进行扫描参数设置。首先目测扫描站点位置到目标区域的大概距离，从而设置扫描模式。由于滑坡面积较大，所以本次测量设置的扫描模式都是1200m的远距离扫描模式，便于获取离测站点较远的滑坡数据。同时勾选影像获取，打开姿态评估功能键（记录反北方向角）。需要说明的是，每站扫描时长约为12 mm左右，扫描时间的长短取决于2个方面:第一，设置的点密度大小，点云密集比点云稀疏所用扫描时间较长（本次扫描1200m的地方点云密度为15cm）。第二，设置的扫描距离长远，扫描越远的地方比扫描较近的区域所用时间较长（本次扫描距离模式为1200 m长远距离）。（4）GPS—RTK获取控制点坐标由于临时选点，测站点没有坐标，本工程通过GPS获取临时测站点大地坐标值。

（4）定位。三维激光扫描技术可以深入到复杂的场景当中去，快速、准确地获得扫描场景的三维数据。但三维激光扫描技术并不是无所不能，技术上还有待进一步完善。比如在场地定位问题上，目前都是通过大地坐标转换来解决的，这也就要求在激光扫描的同时要进行若干次精确的大地坐标测量。在一些大型水电边坡工程中，虽然已经存在许多大地坐标控制点，但在现场扫描工作中发现，由于复杂的施工场地及起伏的地形限制，根据扫描获得的点云数据要准确地发现并识别坐标控制点的水泥桩还存在很大困难，这也是造成定位误差的一个重要原因。工程应用中的扫描数据定位的精度，某些情况下直接影响着测量的最终结果。换言之，如果不能进行大地坐标转换或定位不准，那么在扫描数据中就不能进行准确的岩体产状、垂向高差等量测。

3.4内业数据处理流程

3.4.1坐标转换

由于激光扫描仪测量得到的数据所采用的三维直角坐标系与实际的坐标系之间的欧拉角可能很大。仪器自带的GPS可以使扫描得到的数据获得测站点的大致坐标和反北反向角，通过该坐标和反北反向角可以把三维激光数据纠正到大致正确位置。

3.4.2多站点调整

RiScan Pro软件中多站点调整功能可以把粗拼接的两个面进行一个精细的拟合，达到理想平差效果。

3.4.3植被过滤

设备采用代表激光扫描仪发展方向的全波形数字化及实时处理技术，具有独特的多回波功能，使激光可以更多地穿透植被，以获取更多地面点数据，配套软件RiScan Pro对多回波数据可以实现一键过滤植被的功能，使内业处理更加简单高效。成果提交扫描得到的点云数据，首先要剔除噪点，然后用剔除噪点后的点云数据生成数字高程模型（DEM），得到的DEM成果（图3），可在土木工程、地球科学等很多方面应用，而本工程主要是应用基于DEM的地形地貌分析功能。

图3　最终成果图

3.4.4成果应用

图4　泥石流区域DEM模型

在野外调查的基础上，分析了此次泥石流灾害的特征，并从其形成条件入手，探讨了此次灾害的成因和未来发展趋势（图4）。研究表明，松散物质的极大丰富和堵溃是导致此次特大泥石流规模巨大的主要原因;此地在短期内泥石流仍会频发，但规模要比此次泥石流小（图4）。

4　结论

三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一条新的研究方向，其出现与发展是“继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的研究内容、方法进入新的发展阶段”。将三维激光扫描仪引入到对地灾点的测绘生产是对传统地质灾害调查方法的有益扩展与补充，在极大提高工作效率的同时提高了地质灾害调查的精度，并且在特定条件下可以提供传统方法难以获得的数据资料。

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P694[文献码]B

1000-405X（2016）-7-292-2