三维激光扫描技术在地质灾害调查中的应用

马福贵,宋元福,然见多杰,吴金宏

(青海省第五地质矿产勘查院，青海 西宁 810099)

三维激光扫描技术在地质灾害调查中的应用

马福贵,宋元福,然见多杰,吴金宏

(青海省第五地质矿产勘查院，青海 西宁 810099)

三维激光扫描技术是近年兴起的一种测量技术，本文通过利用天宝TX8三维激光扫描仪在一个典型的地质灾害监测项目中前后两次观测应用实例，阐述了三维激光扫描技术的工作流程，并简述了与常规全站仪测量的优点及注意事项，在生产实践中具有较高的借鉴意义。

三维激光扫描;地质灾害调查;技术流程;优势比较

0 引言

三维激光扫描技术又称实景复制技术，是通过高速激光扫描的方法，快速获取大面积目标体表面的高分辨率点云数据，将测绘技术由过去的点位测量带入到面和影像获取时代，能够完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据。由于三维激光扫描技术具有非接触性、实时、动态、主动性及高密度、高精度、数字化、自动化等特性，并且可以深入到复杂的现场环境中，实现对各种大型的、不规则的、不标准的实体或实景三维数据的完整采集，使得三维激光扫描技术在土木工程、古建修复、文物保护、工厂改造、城市规划等领域得到广泛应用。在地质灾害调查中，采取该方法获取的信息量非常丰富，可快速获取变形隐患体与附属植被、设施等目标的三维高精度“点云”数据，能详细了解边坡裂缝、隐患岩体等变形细节和整体变化。

1 边坡地质灾害岩壁扫描目的与特点

1.1目的

在地质灾害调查应用中采用三维激光扫描技术，可以获得扫描岩体的层面产状、危岩体的空间精确三维坐标等定量信息。作为边坡地质稳定性调查的定量分析手段，对紧邻民宅、厂房或道路等各类不能直接接触的岩壁，实施现场三维激光扫描调查，可以获取岩壁裂缝、脱空石块的走向、长度、宽度、面积、体积与重心等定量化数据。通过对山体岩壁实施现场观测，分析岩壁裂缝、石块重心等变化情况，进一步筛查出岩壁石块脱空与脱落、小范围崩塌等隐患现象。

1.2特点

各山体岩壁与石块均为复杂的不规则形状，石块面数较多且朝向杂乱，且岩壁裂缝位置呈现空间分布特点，其位置与走向较为复杂，需要对岩壁裂缝长度、宽度与走向等进行分析、判断。同时现场各岩壁上存在的树木与杂草的遮挡、周边民居与厂房影响等，均对现场扫描工作形成障碍，故本次工作的扫描分辨率要求较高，否则将造成数据遗漏。不规则岩石表面数据处理比较繁琐和复杂，内业数据处理上更要求细致。需要在扫描数据配准后进行数据冗余处理，在不损失精度的前提下对数据进行抽稀缩减。

2 三维激光扫描仪在地质灾害应用中的主要工作流程

2.1扫描前准备

扫描前准备包括测站设置、定向标靶设置、控制点设置等。

测站设置：本次工作采用的仪器为美国Trimble TX8三维激光扫描仪，该仪器具有360°×317°的视场角和100万/秒的数据获取速度，只需3分钟即可完成一次典型的测量任务。经文献[1]作者在山东科技大学3D综合试验车的实际试验结果及结论，TX8高测量精度可以保持在它的整个测程范围内，其测距精度达到2 mm以内。科学合理地架设扫描机位，对于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[2]。对某一山体边坡，由于石头岩壁为不规则形，面数较多，所以必须进行不同侧面的多站扫描(图1)，才能获取山体细节的多角度全面数据。经过对扫描场地的现场踏勘，合理设置仪器的架设方案[2]。

图1 多站扫描示意图

定向标靶设置：多站扫描时，为提高后续数据拼接精度和作业效率，需在相邻两站之间布设公共标靶，而球状标靶方式得到的外符合精度比用面状标靶方式作为定向标靶得到的要高，在更远距离三维激光扫描上有更大的应用[1]。同时保证相邻两站间至少有3个以上公共参考球，这样，通过增加重叠参考标靶球个数，相当于引入了多余观测的方式，在后期可以通过平差提高拼接精度，同时注意参考球的摆放上不能放在同一水平面上[3]。故本次作业采用专用参考球标靶，通过“空间相似变换公式”将其坐标框架纳入整个边坡调查项目的统一参考坐标平台，最终拼接精度优于1 mm。

控制点设置：除参考球外，在扫描山体近处石块以及周围建筑等通视情况较好的位置布设控制点、特征点(图2)，包括道钉标志控制点或油漆喷涂标志，并标注控制点的编号。每个山体岩壁区域布设5～6个控制点或特征点，控制点采用Trimble R10 GPS进行实地坐标测量，确定每个边坡的具体地理位置并存档。

图2 特征点布设

2.2点云数据获取和处理

包括数据的获取、配准及处理。

数据获取：本项目于2014年6月10日和8月25日分别进行了点云数据的采集，每次设站11次。期间该地曾发生里氏2.5级地震和数次大小不等的强对流天气，通过比较地震前后两次数据的差异，分析和判断隐患部位的变化情况。

数据配准：由于三维激光扫描仪采集的点云数据属于基于扫描仪内部的系统局部坐标系，需将该系统下的点云数据利用公共点通过坐标转换的方式变换至统一坐标系下[3]。具体方法是：利用控制点采用Trimble R10 GPS采集据参考球标靶及若干特征点实地坐标数据，最终通过“空间相似变换公式”将其坐标框架纳入整个边坡调查项目的统一参考坐标平台中，该步可在仪器自带的后期处理软件Trimble Realworks软件中进行，最终拼接精度优于1 mm。

数据拼接：由于被测物体形状复杂或面积较大，需将多次扫描的点云数据利用参考球标靶和特征点进行拼接即可得到岩壁完整的点云数据，并统一到同一坐标系下。

数据预处理：主要包括数据的删选、去噪、上色等。

数据删选：在三维视图中，如树木、周围建筑、道路等经过配准的多站数据在很大程度上存在重叠，造成数据冗余。在不损失精度的前提下，需要对数据进行缩减，将与目标无关的点云剔除。因此，数据配准之后进行冗余处理，处理过程中删除栅栏、房屋和山体表面植被，能减少数据存储量，节约内存空间，提高数据处理速度。

数据去噪：扫描测量过程中产生的一些测量误差主要受到目标体表面质量的粗糙程度、测量人员的野外经验、测量仪器的标称精度、野外环境等诸多因素的影响，这势必给后续的模型重构带来误差，所以必须删除这类噪声点。对于扫描获取的扫描点，通过筛选周围区域中的有效扫描点，设置距离阈值，超过距离阈值的点将被删除，剩下显示的扫描点保留。然后根据点的反射值进一步筛选，反射系数阈值的值表示扫描点必须具有的最小反射值，反射系数阈值过小，因进入扫描仪的光线量极少，因此测量噪点会增加，必须删除(图3、图4)。

图3 岩壁照片

图4 扫描数据去噪影像

经过去噪处理后，岩壁点云数据量在9 000万点左右，既满足表达目标特征需要，又不会因数据量太大造成后续分析处理的冗余。

数据上色：根据局域坐标系对准，将三维激光点云与扫描过程中拍摄的现场彩色照片重合，获取了该岩壁的三维点云数据彩色模型。

岩壁裂缝与隐患石块筛查：通过以上三维海量点云的处理，可以完整、直观地反映岩壁的现场情况，既可以方便查看量测裂缝和隐患石块的距离、角度、面积及体积，进行断面图、投影图、等值线图的生成，还可以量测岩石裂隙的尺寸并确定走向，直接为岩石稳定性分析提供了基础数据。

2.3数据处理与分析

经过对获取的三维岩壁数据进行拼接、删除、去噪与上色后，获得了作业区岩壁的山体三维点云数据彩色模型。在此基础进行裂缝与隐患石块相关的数据提取，生成带比例尺的裂缝与隐患石块筛查平面图进行三维量测和筛选，并可根据需要任意缩放，以便清晰了解裂缝走向和细部结构(图5、图6)。同时依据需求，还可进行断面截图、石块体积计算、重心分析、裂缝宽度变化等(图7～图9)。

经过对数据的处理与分析，形成隐患裂缝及石块统计图表(表1～表3)，因数据较多，仅节选前后2次扫描建模后量测后有较大变化的数据予以展现。

图5 裂缝与隐患石块筛查示意图(A-裂缝，B-石块)

图7 石块纵断面图(左为B07；右为B08)

图8 B07石块体积计算示意图

图9 B07石块裂缝宽度变化图(该裂缝增大4 mm)

裂缝编号6月8月长度变化6月8月宽度变化A042092090006700692A073893892009500961A085915912000700070A10234234101040103-1A123853852005300550A163953950038803913A173203200005500572A182312311005400540A206376373012401262A226716712005500572

表2 隐患石块测量成果统计表Table 2 Statistical results of hidden rock measurement

表3 2013年～2015年裂缝长、宽变化表(单位：m/mm)Table 3 The length and width of crack changes in 2013～2015

2.4本次论证结论及预警

经过2013年至2015三年的3D扫描仪分析结果表明：受各类气候及地震影响，该岩壁的部分裂缝存在裂缝长度、裂缝宽度数据的局部变化。特别是该岩壁的B07石块，在地震和持续的雨雪作用、大风等对流天气的综合影响作用下，存在石块脱落或小型崩塌现象的可能性，而且距离邻近房屋不足5 m，已向相关单位发出隐患预警，需进一步采取防护措施。此外，其余各处岩壁有单株植物生长，极易造成石块脱落，需要及时提醒有关单位进一步采取防护措施。

3 与传统测量手段的比较

由于三维激光扫描技术提高了自动化提取信息的程度，与传统的基于单一观测点的检测方法相比，具有表达对象细节信息能力强、收环境影响小等优势。它不需要布设测点，能够密集地、全面地对测区进行数据采集。同时，三维激光扫描技术具有很高的空间点位精度，单点定位的绝对精度与全站仪相当，而相对精度更高，这位高精度形变检测提供了可靠的精度保证。对获取的点云数据进行处理后构建的目标物三维表面模型(DSM)，经相应的计算和数据处理，可检测出不同时期目标物表面模型之间的变化和差异，从而获得目标点的空间变化量。同时，用精细表面模型自动检测到的空间变化能更全面、更真实地表达检测对象的空间演变和动态变化特征，更有助于得到科学的结论，从而实现检测信息从采集到处理的一体化，为工程检测、运营管理实现全面自动化、信息化提供技术保障[4-6]。

4 结论

三维激光扫描仪作为目前较为先进的测绘仪器，形成对常规测绘手段的有益补充，越来越多的应用于各种工程技术领域，极大的节省了生产单位的人力和资源成本，同时也提高了生产效率，降低了作业人员的劳动强度。但在实际应用时也需要采取一些相应的控制措施，提升操作人员的操作技能，合理设置扫描距离和扫描点间距，提高点云拼接精度，避开不利的外部环境影响因素等，以便更好的服务于测绘相关领域。

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Applicationofthethree-dimensionallaserscanningintheinvestigationofgeologichazard

MA Fugui,SONG Yuanfu,RAN Jianduojie,WU Jinhong

(No.5GeologicalandMineralSurveyInstituteofQinghaiProvince,Xining，Qinghai810099,China)

Three-dimensional laser scanning is the surveying technique which is developed in the recent years. The workflow is discussed based on the use of the Trimble TX8 Three-dimensional laser scanning in the project of investigation of geologic hazard. In this project, it is observed two times. The advantages of the Three-dimensional laser scanning comparing the total station are presented in this paper. This has reference meaning to other production and practice.

three-dimensional laser scanning; investigation of geologic hazard；technique flow；advantage comparison

P232

B

1003-8035(2017)03-0101-05

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.15

2017-03-30;

2017-04-10

马福贵(1973-)，男，回族，测绘专业，本科，工程师，研究方向为工程测量。E-mail:1653189320@qq.com