三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用研究

李冠，張立偉

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100039)

1 引 言

1.1 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作現(xiàn)狀

地質(zhì)調(diào)查與測繪是開展地質(zhì)災(zāi)害勘查的重要技術(shù)手段，系統(tǒng)采集邊坡巖體中各類結(jié)構(gòu)面的空間幾何信息是識別邊坡地質(zhì)災(zāi)害隱患、評價其穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)工作。而傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查測繪主要以羅盤、皮尺等方式進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，這些方法工作量大、效率低、信息量離散，甚至還要面臨極大的安全風(fēng)險。

1.2 三維激光掃描技術(shù)特點

三維激光掃描方法可直接獲取被測量巖體的表面各點的三維坐標(biāo)，高精度地全自動測量巖體中面狀結(jié)構(gòu)單元的空間幾何信息，通過對這些信息進(jìn)行有效地處理和分析，實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面定位和幾何特征信息采集，基于這些信息來進(jìn)行危巖體識別和穩(wěn)定性評價。從而可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、快速、精確、大面積地獲取被測量巖體表面密集點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，多方位展示邊坡體中潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患體信息。

1.3 研究思路

采用三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測時，點云數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和處理質(zhì)量是后續(xù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析的重要前提。因此，本文以地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的具體項目作為實例，以三維激光掃描技術(shù)在具體項目中的應(yīng)用流程作為主線，重點對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

2 研究內(nèi)容

三維激光掃描工作主要分為數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理兩個階段。為保證獲取的數(shù)據(jù)能滿足后續(xù)的處理要求，本文以數(shù)據(jù)處理精度指標(biāo)、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)密度作為重點，以項目實例中的數(shù)據(jù)融合處理作為評價依據(jù)，開展數(shù)據(jù)處理質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計分析研究。本文從以下兩方面來進(jìn)行研究分析工作。

(1)設(shè)站分布條件研究

三維激光掃描的設(shè)站工作是開展數(shù)據(jù)采集工作的基礎(chǔ)，設(shè)站分為控制站設(shè)置和自由設(shè)站設(shè)置，本文主要開展控制站、自由設(shè)站的分布對點云數(shù)據(jù)處理精度的影響的統(tǒng)計分析研究。

(2)掃描參數(shù)設(shè)置研究

本文的研究工作采用的儀器為Riegl VZ400i三維激光掃描儀，在此環(huán)節(jié)的研究工作中，以儀器中掃描角分辨率、掃描頻率等參數(shù)的設(shè)置組合為試驗基礎(chǔ)，開展主要儀器參數(shù)的設(shè)置對最遠(yuǎn)掃描距離、數(shù)據(jù)完整性等影響掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)的影響情況的統(tǒng)計分析研究。

3 實例分析

3.1 實例介紹

本文以某地質(zhì)安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)項目作為實例，該項目包含了多個監(jiān)測站點，涵蓋了崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡和滑坡等主要地質(zhì)災(zāi)害類型，實例數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 實例點云數(shù)據(jù)示意圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 設(shè)站分布條件研究

(1)自由設(shè)站分布研究

根據(jù)第2節(jié)研究內(nèi)容以3.1中的實例數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，在實例數(shù)據(jù)中分別選取間距不同的相鄰自由站進(jìn)行拼接處理，對拼接誤差進(jìn)行統(tǒng)計，選取樣本情況如表1所示。

樣本情況 表1

通過對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并統(tǒng)計，統(tǒng)計精度情況如圖2、圖3所示。

圖2 樣本拼接精度統(tǒng)計

圖3 設(shè)站間隔對拼接精度影響統(tǒng)計

從圖2圖中可得到，當(dāng)間隔小于100 m時，樣本間的精度差異較小，但隨著間距的變大，精度的變化幅度會顯著變大，且精度值也會顯著變大；進(jìn)一步結(jié)合圖3來看，當(dāng)自由設(shè)站間隔大于 100 m時，其精度平均值會呈現(xiàn)顯著變大的趨勢。

由于進(jìn)行拼接時采用以自動拼接為主，人工干預(yù)為輔的方式進(jìn)行，當(dāng)設(shè)站間隔達(dá)到 80 m時，自動拼接的成功率會顯著降低，因此在保證拼接精度的同時，也應(yīng)該考慮自動拼接成功率的因素。

(2)控制站分布研究

在進(jìn)行點云配準(zhǔn)時，利用不同的控制點組合(指控制點間距不同)進(jìn)行解算，并對最終的配準(zhǔn)中誤差以及點間誤差進(jìn)行統(tǒng)計。

圖4 控制站間距對配準(zhǔn)精度的影響統(tǒng)計

從圖4中可得出：當(dāng)控制點間距大于 300 m時，間距中誤差達(dá)到 10 mm，配準(zhǔn)中誤差則未超過 10 mm，從數(shù)據(jù)變化情況看，變化趨勢并不顯著，但除考慮精度指標(biāo)因素外，還需要考慮拼接成果的可靠性因素，故仍然需要對控制點間距進(jìn)行適當(dāng)約束處理。

綜上所述，在顧及數(shù)據(jù)精度和采集效率的情況下，得出了最優(yōu)的掃描控制站分布設(shè)置。其中控制站間距主要考慮相關(guān)規(guī)范中對應(yīng)的要求，即控制點之間的連續(xù)配準(zhǔn)次數(shù)不宜超過5次，換算下來大致相當(dāng)于最大間距為 300 m左右，同時考慮作業(yè)效率故最終將控制站間距設(shè)為 150 m～300 m之間。

3.2.2掃描參數(shù)設(shè)置研究

在本項目數(shù)據(jù)采集實施的過程中，通過對相關(guān)的采集參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如激光脈沖頻率，掃描角分辨率(PANAROMA)等參數(shù)進(jìn)行了嘗試，為滿足數(shù)據(jù)處理要求及后續(xù)算法編制的數(shù)據(jù)需求，對參數(shù)設(shè)置的搭配進(jìn)行試驗：

(1)最遠(yuǎn)掃描距離統(tǒng)計

通過儀器使用說明中可以得知，影響掃描頻率的設(shè)置的是最遠(yuǎn)掃描距離，所以在進(jìn)行后續(xù)試驗前，先對不同掃描頻率對應(yīng)的最遠(yuǎn)掃描距離進(jìn)行試驗統(tǒng)計，但由于最遠(yuǎn)處的點云往往較為稀疏而無法對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程起作用，所以主要對處于有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的最遠(yuǎn)掃描距離進(jìn)行統(tǒng)計。

研究使用的三維激光掃描儀為Riegl VZ400i為脈沖式掃描儀，原理是通過發(fā)出激光脈沖至掃描對象上，通過接收從掃描對象上反射的回波信號實現(xiàn)對掃描對象的測量功能，掃描儀對于不同材質(zhì)的反射率是不一樣的，在進(jìn)行最遠(yuǎn)掃描距離統(tǒng)計前，首先是掃描儀對于不同材質(zhì)的反射率的情況統(tǒng)計，從儀器說明書中統(tǒng)計如表2所示。

不同材質(zhì)的掃描反射率統(tǒng)計[1] 表2

材質(zhì)對應(yīng)的反射率越高，其回波信號就越容易被儀器接收，導(dǎo)致了兩方面的結(jié)果：一是在相同距離條件下就越容易被測出，二是越容易在更遠(yuǎn)的距離處被測出。本項目的研究對象主要是反射率為60%的巖壁結(jié)構(gòu)、反射率為80%的石灰?guī)r結(jié)構(gòu)，針對此兩種材質(zhì)的最遠(yuǎn)距離統(tǒng)計情況如圖5所示。

圖5 不同掃描頻率下最遠(yuǎn)掃描距離的變化情況[1]

由圖5可以得出，當(dāng)掃描頻率超過 300 MHz時，在一般的掃描條件下(60%)，對應(yīng)的最遠(yuǎn)掃描距離會下降至 400 m。

(2)數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計

在后續(xù)的分析過程中，基于最遠(yuǎn)距離的統(tǒng)計成果，以 100 MHz在 100 m處獲取的數(shù)據(jù)作為參照，將其他參數(shù)配置條件下獲取的數(shù)據(jù)量相對于該數(shù)據(jù)的完整程度作為評價指標(biāo)，即數(shù)據(jù)完整度評價，對不同掃描距離的條件下點云數(shù)據(jù)獲取情況進(jìn)行統(tǒng)計。

由圖6中可以得出，1200 MHz條件下在200 m處的數(shù)據(jù)完整度已經(jīng)僅能達(dá)到20%左右，說明該掃描頻率水平下的數(shù)據(jù)并不能很好地適用于本項目的數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作，故在后續(xù)的分析工作中，將不對該掃描頻率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；而 600 MHz條件下在 200 m處的數(shù)據(jù)完整度也僅能達(dá)到50%的水平，在 150 m處為約60%，以70%作為參考水平來看，該掃描頻率水平也僅能適用于掃描距離在 100 m以內(nèi)的數(shù)據(jù)采集場景。

圖6 數(shù)據(jù)完整度統(tǒng)計

而在200 m～300 m范圍外的掃描場景中，也僅有 100 MHz條件下的數(shù)據(jù)完整度能保持一個相對較高的水準(zhǔn)，達(dá)到75%以上，這也說明就數(shù)據(jù)完整性方面論，應(yīng)盡量將掃描距離控制在 200 m以內(nèi)方可達(dá)到較為理想的數(shù)據(jù)完整水平。

(3)點云密度統(tǒng)計

本項目所用儀器的角分辨率主要利用PANAROMA值來進(jìn)行評定，變化范圍主要是從10～80，在掃描頻率不變的情況下，對在距離由近及遠(yuǎn)變化的過程中不同角分辨率下對應(yīng)的點云密度進(jìn)行試驗及統(tǒng)計。

圖7 點云密度統(tǒng)計

在不同掃描頻率以及角分辨率搭配使用的情況下，對掃描時間進(jìn)行試驗及統(tǒng)計。

由圖8中可以得出，在100 m處，上述角分辨率模式下對應(yīng)的點云密度均小于 20 mm，角分辨率參數(shù)值小于40對應(yīng)的點云密度小于 10 mm，而在 200 m處，角分辨率參數(shù)值小于40對應(yīng)的點云密度小于 20 mm。參考《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》(CH/Z 3017-2015)中二等三維激光掃描測量中關(guān)于最大點間距的技術(shù)要求，同時結(jié)合掃描時間的統(tǒng)計情況，需要考慮將角分辨率值設(shè)定在40及以下，方可較好地滿足后續(xù)數(shù)據(jù)需求。

圖8 掃描時間統(tǒng)計

4 結(jié) 論

4.1 數(shù)據(jù)采集處理的最佳參數(shù)化配置

(1)站點設(shè)計最佳配置

以控制站和自由設(shè)站的不同分布情況作為變量，對拼接精度指標(biāo)以及平差精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，對精度的變化趨勢以及精度差的變化情況進(jìn)行分析，最終得出掃描設(shè)站的最優(yōu)配置情況如表3所示。

掃描站設(shè)置 表3

(2)掃描參數(shù)最佳配置

以掃描角分辨率、掃描頻率和掃描距離作為變量，對平差精度、數(shù)據(jù)密度及數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行統(tǒng)計，對相關(guān)參數(shù)的變化趨勢情況進(jìn)行分析，綜合考慮掃描密度、數(shù)據(jù)完整度以及掃描效率的情況下，掃描參數(shù)設(shè)置的參考值如表4所示：

數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置表 表4

針對不同類型的測站的儀器參數(shù)設(shè)置情況如表5所示。

掃描參數(shù)設(shè)置 表5

4.2 結(jié) 語

本文采用充足的實例數(shù)據(jù)，針對三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作中應(yīng)用過程中所涉及的采集處理技術(shù)關(guān)鍵點進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出開展項目應(yīng)采用的最優(yōu)化配置。為了滿足后續(xù)工作要求，經(jīng)過多種類型的數(shù)據(jù)試驗可以得出，用于地質(zhì)調(diào)查的三維激光點云數(shù)據(jù)精度點云密度均須優(yōu)于 2 cm，重要區(qū)域的點云密度要求則會更高；數(shù)據(jù)完整度方面則需要盡可能地達(dá)到80%以上，重要區(qū)域則需要達(dá)到90%以上。開展實際工作時，為了有效控制各項指標(biāo)能滿足要求，需要在測站設(shè)置、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)處理策略三方面入手，在后續(xù)過程中，將繼續(xù)開展實例驗證工作對各類采集處理參數(shù)的配置進(jìn)行更廣泛、充分的驗證。