机载LiDAR技术在坡面孤石识别中的应用

樊亚男

（广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

坡面孤石是裸露于地表或浅埋于残积土层中的中～微风化花岗岩球状风化体[1-2]。广州市地貌以山地丘陵为主，基岩多为花岗岩，孤石发育。受降雨和人类活动等因素影响，大量孤石出露地表，在斜坡之上形成坡面孤石。坡面孤石形状多为球状或椭球状，孤石失稳后以其速度快、运动远的特点，严重威胁其周边建构筑物及人员安全。探索坡面孤石调查和综合防治方法意义重大。目前坡面孤石调查工作多以人工调查为主[3-5]，但受植被覆盖和道路不通等影响，人工调查难以做到全方位、无死角。本文采用机载LiDAR技术，对广州市黄埔区暹岗山一带开展坡面孤石遥感识别，以人工核查的方式对识别结果进行检验，探索机载LiDAR技术在坡面孤石识别的有效性和适用性，为坡面孤石崩塌灾害的防治提供技术支撑。

1 研究区概况

暹岗山位于黄埔区联和街道开创大道北与科翔路交会处，地处该区中心地段，中心地理坐标23°11'7.39″、113°27'11.62″，面积约16 km2。该区域属剥蚀构造低山残丘的山间凹地，地面高程介于90～300 m，整体坡度为5°～40°，局部可达75°。区内基岩以花岗岩为主，岩体经长期球状风化作用，原地解体或机械搬移形成大量的孤石球状风化体，零散分布在山体上，且大多被植被覆盖。受周边人类活动和降雨等因素影响，坡面孤石极易失稳破坏，对周边企业、住宅、学校、道路造成严重威胁。

2 机载LiDAR技术工作流程

机载LiDAR系统集成了定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备，是一种通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。首先，分析项目区行政区划、交通、通信和自然地理等基础资料，并进行飞航空域申请。其次，开展系统综合检校和地面检校，消除系统误差和其他干扰因素，进行仿地飞行，获取激光点云数据。再次，点云数据经处理后，分离地面点、植被点、建筑物点等三维坐标点，获取测区数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）；基于地质环境条件和航飞数据，建立遥感解译标志，并开展室内解译工作。最后，对室内解译结果进行野外复核验证、修正，编制解译成果报告及图件。

3 机载LiDAR遥感解译结果

遥感解译是遥感调查的重要环节，在基础图像上重现野外实际环境景观，基于地学原理进行地物识别及定性和定量、时间和空间分析，以人机交互的方式获取坡面孤石及其发育环境信息。

3.1 建立解译标志

不稳定的坡面孤石属于危岩体，是潜在的崩塌体。高清三维光学影像可清晰拾取地表信息，坡面孤石在三维光学影像上会呈现一定特征，可作为坡面孤石识别的有效标志。坡面孤石光学影像特征如图1所示。

图1 坡面孤石光学影像特征

孤石为中～微风化花岗岩球状风化体，颜色多为青灰色、灰白色等浅色调，与周围环境色差明显；孤石形状通常较为规整，呈球状、椭球状，以群落形式散落于斜坡上；孤石与孤石界线清晰，间隙生长少许植被，局部地面裸露。

光学效果的视觉效果比较直观，但广州市山地丘陵区植被茂盛，植被对坡面孤石的遮挡效果导致植被茂盛区域的坡面孤石难以通过光学影像清晰识别。三维数字高程影像可有效滤除植被，去掉表面干扰信息，完整地表现地表形态。孤石高程影像特征如图2所示。

图2 坡面孤石高程影像特征

孤石发育区坡面较为粗糙，颜色呈暗灰色、灰色等，表面凸起明显；孤石三维形态表现良好，界线清晰可见。

3.2 初步解译

根据机载LiDAR航测结果和坡面孤石在三维光学影像、三维数字高程影像上的特征，以人机交互的方式开展坡面孤石的初步解译工作，形成初步解译成果，解译内容包括地理位置、所处地貌类型、微地貌、植被特征、孤石规模、形态、基座特征、稳定性、危害性等。

3.3 野外验证

对初步解译结果及解译过程中存在的不确定和疑问点，采用人工野外调查的方法进行逐一验证复核，重点核查坡面孤石存在与否及其发育特征，对比遥感解译标志和野外复核结果，对不确定以及疑问点进行补充，对已建立的遥感解译标志进行修正完善。

3.4 综合解译

对比分析坡面孤石遥感解译标志及野外验证结果，在修正解译标志的基础上对研究区开展坡面孤石崩塌隐患识别。本次暹岗山测区共识别出坡面孤石群106处，直径大于3 m的坡面孤石1 355个，主要分布在测区的西南部，结合现场调查成果，可将坡面孤石划分为稳定孤石和不稳定孤石，数量分别为300个和1 055个，收集勘查资料显示正在治理孤石数量共计854个。

对坡面孤石综合解译成果进行抽样查证，查证比例不少于10%，随机选取15个孤石群开展现场查证工作，其中10个孤石群的遥感解译结果与现场验证基本吻合，5个孤石群现场调查的孤石数量远多于遥感解译结果，但直径大于3 m的坡面孤石数量与遥感解译结果基本一致。由此可见，机载LiDAR技术在坡面孤石识别中具有很好的效果。

坡面孤石分布如图3所示。

图3 暹岗山坡面孤石分布

3.5 成果分析

本次机载LiDAR遥感调查共识别坡面孤石群106处（大于3 m的坡面孤石1 355个），空间分布呈现“南多北少”的规律，坡面孤石的分布特征与地层岩性、地形地貌、人类活动等因素密切相关。

3.5.1 地层岩性

研究区基岩以花岗岩为主，局部出露变质岩。坡面孤石是花岗岩因差异风化形成的球形或近球形风化物，均形成于花岗岩分布区，对比研究区花岗岩形成时代，三叠系花岗岩较易形成孤石；从粒径来看，中粗粒花岗岩较细粒花岗岩更易形成孤石。

3.5.2 地形地貌

地层岩性是孤石形成与否的决定性条件，地形地貌是其能否出露及稳定存在的重要因素。地形地貌以其自然坡度和汇水条件影响坡面孤石的发育，孤石形成后通常埋藏于地下，山体汇水条件越好、汇水面积越大，坡面土体受雨水冲刷越明显，孤石越容易出露形成坡面孤石；坡面孤石所处地形坡度越陡，受重力和外界影响，孤石越易失稳，滚落至坡脚。因此，坡面孤石大多分布于研究区南部山地范围内坡度相对较缓的区域。

3.5.3 人类活动

人类活动的影响主要表现为山体开挖引起的地形变化，坡面孤石形成后大多处于相对稳定状态，受风化剥蚀和降雨冲刷影响逐渐趋于不稳定，此过程通常很漫长，但人类活动对自然环境的改变是短期内发生的，导致大量坡面孤石出露或因工程活动而消除，在孤石本就发育的南部区域，频繁的工程活动使得区域内孤石分布十分密集。

4 实用性及存在问题

4.1 实用性

本研究首次将机载LiDAR技术应用到坡面孤石的识别中，取得了显著的成效，为孤石发育区的坡面孤石崩塌灾害防治提供借鉴。坡面孤石多发育于人工难以抵达的山地丘陵区，隐蔽性强，引入机载LiDAR技术可解决人工无法抵达的问题，良好的植被穿透性克服了植被遮盖难以调查的问题。机载LiDAR在坡面孤石识别上具有较高的准确率，与人工调查相比，可大幅度缩短工期，引入机载LiDAR技术可有效提升坡面孤石调查和防治工作效率。

4.2 存在问题

机载LiDAR技术航测成本高，在区域性的坡面孤石调查中存在一定局限性。坡面孤石的识别受其规模影响显著，在小规模孤石的精准识别上难度较大。机载LiDAR技术在坡面孤石识别中的应用受可解译程度的制约，难以做到调查内容的全面解译，需进一步探索完善。

5 结语

本文首次将机载LiDAR技术应用于坡面孤石遥感识别，识别准确率超过60%，取得了显著效果。机载LiDAR技术具有植被穿透性强、不受交通限制、识别周期短等优势，在坡面孤石调查及防治方面具有较好的应用前景。机载LiDAR技术的坡面孤石识别准确率受植被特征和孤石规模影响，植被越茂盛，识别效果越差，坡面孤石规模越小，识别难度越大。