三維激光掃描在高陡邊坡勘察中的測距分析

劉偉鵬 吳 光 張廣澤

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 ,成都 610031; 2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

三維激光掃描具有“非接觸性、高效率、高速率、大數(shù)據(jù)”等優(yōu)點(diǎn),在高陡邊坡勘察中得到大量應(yīng)用,具有廣泛的應(yīng)用前景。徐進(jìn)軍等利用三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測取得較好效果[1-2];ABELLáN A等利用長測距三維激光掃描儀對(duì)危巖落石進(jìn)行測量,并建立三維地面模型分析危巖體穩(wěn)定性[3];李東黎等把三維激光掃描技術(shù)引進(jìn)到危巖落石勘察中,并獲得良好成效[4-6];禾秉順等利用三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)計(jì)算,獲得巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)[7];劉昌軍等利用三維激光掃描獲得點(diǎn)云,并對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別分析[8-9];謝雄耀等利用三維激光掃描技術(shù)在隧道全斷面變形監(jiān)測中進(jìn)行應(yīng)用,以分析隧道不同階段的變形特征[10];游志誠通過三維激光掃描技術(shù)測量結(jié)構(gòu)面的形態(tài)點(diǎn)云,建立結(jié)構(gòu)面表面模型,對(duì)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的各向異性進(jìn)行研究[11];胡超基于三維激光掃描技術(shù)建立邊坡開挖質(zhì)量評(píng)價(jià)新方法[12];董秀軍利用三維激光掃描在獲取高精度DTM上進(jìn)行了應(yīng)用,取得較好效果[13];宋云記利用三維激光掃描技術(shù)在隧道施工階段進(jìn)行質(zhì)量管控及病害檢測獲得較好成效[14]。然而,國內(nèi)外對(duì)三維激光掃描技術(shù)在勘察領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少。為更好把三維激光掃描測量技術(shù)引入地質(zhì)工程和巖土工程領(lǐng)域,對(duì)三維激光掃描儀在危巖體勘測中的測距進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)掃儀器對(duì)不同地物的測距特征,針對(duì)性提出“測距控制法”減小勘測過程中的植被噪音,以期為野外掃描工作提供必要的指導(dǎo)。

2 三維激光掃描測量系統(tǒng)

2.1 三維激光掃描儀測量原理

如圖1所示,三維激光掃描儀從測站發(fā)出測量激光束并抵達(dá)被測物表面,光束發(fā)生漫反射,部分返回儀器并被探測到。儀器接收漫反射測量激光束的往返時(shí)間為t,再計(jì)算被測物體與測站的距離觀測值S。同時(shí),儀器內(nèi)的精密時(shí)鐘控制的角度編碼器可同步測量光束的橫向掃描角度觀測值φ和垂向掃描角度觀測值θ。

圖1 地面三維激光掃描儀測量原理

在工作之初,三維激光掃描儀會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)測量坐標(biāo)系,在該坐標(biāo)系中,三維激光掃描獲得的實(shí)測數(shù)據(jù)為:被測點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)O的直線距離D、垂直轉(zhuǎn)角θ、水平轉(zhuǎn)角φ和回光強(qiáng)度I。

儀器軟件可以將實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系三維坐標(biāo)值,三維激光掃描儀測得點(diǎn)的三維坐標(biāo)P(x,y,z)與實(shí)測值D、θ、φ的關(guān)系為

式中,D為掃描儀與被掃描點(diǎn)的直線距離;θ為激光束垂向方位角;φ為激光束水平方位角與X軸的夾角。

2.2 掃描儀技術(shù)參數(shù)

以瑞士Leica ScanStation C10掃描儀為例,分析該儀器對(duì)危巖體的測距能力,表1為該儀器的主要參數(shù)指標(biāo)。

表1 ScanStation C10技術(shù)參數(shù)

激光波長影響掃描儀測量距離,激光波長(頻率)決定了特定材料的波普反射能力,反射能力則決定了掃描儀最大測量距離,通常把這種反射能力用反射率表示。此外,被測物體外表面的粗糙程度也對(duì)反射率有很大影響,進(jìn)而影響儀器最大測距。

3 三維激光掃描測量測距分析

3.1 三維激光掃描儀測距影響因素及模型

根據(jù)三維激光掃描儀工作原理,儀器發(fā)射并接收測量物體的反射波,得到激光束往返傳播時(shí)間t、測量距離D。因此,當(dāng)?shù)玫綔y量物體反射波譜、掃描儀激光波長,就可分析儀器對(duì)測量物體的最大測距。

在不同大氣環(huán)境下,分析不同物體最大測距值,并結(jié)合被測物體反射率值,可獲得掃描儀對(duì)各類物體的“反射率-最大測距”曲線。圖2為Riegl vz-6000三維激光掃描儀的“反射率-最大測距”曲線。

圖2 RIEGL VZ-6000掃描儀測距曲線

由圖2可知,儀器對(duì)被測物體測量的最大距離隨著激光反射率增大而增大。同時(shí),掃描儀測距與被測物體反射率并不呈線性關(guān)系,被測物的反射率較小時(shí),隨反射率的增大,測距增長較快,反射率達(dá)到較大值(80%)時(shí),被測物最大測距增長則不明顯。

針對(duì)激光測距隨反射率增大,其最大測距增大幅度逐漸減小,認(rèn)為是由于大氣中顆粒物體對(duì)激光波能量的衰減作用所引起的。大氣顆粒物會(huì)對(duì)光波產(chǎn)生各種作用,如大氣散射、大氣吸收和大氣折射等,大氣層顆粒物減弱了發(fā)射波和反射波激光束能量,使得儀器無法檢測反射波,減小了測量距離。當(dāng)在小反射率區(qū)間時(shí),激光傳播距離較近,波速能量衰減較少,隨著反射率增大,最大測距增大明顯;隨著被測物體測距增大,大氣的影響也逐漸變大,波速能量衰減量增大,測距增長幅度逐漸減小。此外,在小反射率區(qū)間,不同能見度大氣的測距相差較小,不同反射率物體的最大測距也相差較小,但隨著反射率增大,各物體最大測距差值逐漸增大。

通過圖2所示的測距曲線可以看出,冪函數(shù)可以很好反映這類測距模型[15]。通常情況下,儀器廠家只會(huì)提供數(shù)組不同反射率條件下的最大測距,根據(jù)這幾組數(shù)據(jù),可以構(gòu)建一條反映該儀器所對(duì)應(yīng)的“反射率-最大測距”曲線模型,進(jìn)而可計(jì)算儀器對(duì)任意反射率物體的最大測距。

根據(jù)Leica C10儀器所給的參數(shù),物體在反射率為18%時(shí),最大測距為134m;反射率為90%時(shí),測距為300m;當(dāng)反射率為0時(shí),測距為0m。可設(shè)該儀器的“反射率-最大測距”為L=aρb,把反射率和最大測距值代入,有

則Leica C10儀器“反射率-最大測距”曲線可表達(dá)為

曲線如圖3所示,通過該曲線模型,獲得物體反射率后,可利用式(3)計(jì)算物體的最大測量距離。

圖3 Leica C10測距曲線

3.2 地物波譜特征分析

三維激光掃描測量是通過波普反射時(shí)間差進(jìn)行測量,地物反射率決定了其對(duì)波的反射能量大小。對(duì)于危巖落石勘察而言,測量主體為巖石,各類型巖石反射光譜研究有助于儀器和測站位置選擇。

巖石光譜是由各種不同的礦物光譜混合組成的合成光譜,不同巖石反射波普差異性較為明顯。巖石光譜特征受到巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和表面狀態(tài)等因素影響。研究表明,這種混合效應(yīng)是非線性的。

沉積巖波譜反射率很大程度上是由巖石表觀顏色、礦物的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、風(fēng)化殼物質(zhì)性質(zhì)及風(fēng)化程度、巖石表面的覆蓋物性質(zhì)等方面決定。其中,礦物成分和巖石風(fēng)化面顏色對(duì)層積巖波譜特征起決定性作用。沉積巖野外實(shí)測反射波譜曲線表明:沉積巖反射率隨著顏色的加深而降低,沉積巖的顏色與鐵、黏土礦物的含量有較大關(guān)系。沉積巖野外反射率一般在5%～35%之間;在黃光波段、TM3波段(0.62～0.69 μm)沉積巖波譜曲線形態(tài)相對(duì)變化較顯著,有利于沉積巖的光譜識(shí)別。

巖漿巖成分差別較大,通常劃分為酸性巖、中性巖、基性巖和超基性巖。巖漿巖波譜反射率取決于巖石化學(xué)成分、粒度結(jié)構(gòu)、巖石構(gòu)造、表面風(fēng)化程度和表面覆蓋物等因素。其中,巖石的化學(xué)成分(特別是SiO2)是主導(dǎo)因素。巖漿巖波譜的基本規(guī)律是:超基性巖和基性巖的反射率低,中性巖漿巖反射率中等,酸性巖漿巖反射率偏高。

變質(zhì)巖是原巖通過變質(zhì)作用而形成的,其反射波譜特征與原巖有很大的關(guān)系,多數(shù)波譜特征與原巖相近。圖4為ENVI軟件波譜庫中常見三大巖類的波譜曲線。

圖4 常見巖石波譜曲線

危巖落石勘測中,植被是最主要的干擾因素,對(duì)植被的光譜特性進(jìn)行分析研究有助于三維激光掃描儀波長等參數(shù)的選取。

植物波譜特征取決于植物葉片的物理結(jié)構(gòu)。圖5表述了綠色植物電磁輻射特征的標(biāo)準(zhǔn)波譜特征和植物光譜響應(yīng)的生物物理因素。

圖5 典型綠色植物光譜反射率特征曲線

植物光譜特征可以概括為可見光2個(gè)吸收帶、1個(gè)窄反射峰、近紅外寬反射峰和短波紅外反射峰3個(gè)強(qiáng)吸收帶。這些特征光譜帶的形成取決于植物葉片的物理結(jié)構(gòu):上表皮層及其下的柵欄組織的葉綠素成分決定了可見光的光譜特征,內(nèi)部的海綿組織決定了近紅外強(qiáng)反射光譜特征,植物的含水性決定了短波紅外光譜特征。

ENVI軟件波普庫中,也提供部分室內(nèi)試驗(yàn)測量獲得的植被波譜曲線,如圖6所示。

圖6 常見草和樹木波譜曲線

3.3 巖石測距分析

根據(jù)巖石的波譜曲線,可以得到波長λ=532nm巖石的反射率值,把反射率數(shù)值代入式(3),可以得到各巖石的最大測距,見表2。

對(duì)于不同類型的巖石,Leica C10最大測距也不同。由表2可知,巖石的基本測距都在100m以上,絕大多數(shù)巖石最大測距在150m以上。因此,在測量危巖落石時(shí),Leica C10比較合適的測距為150m左右,對(duì)于不同的巖石,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整測站距離。

表2 Leica C10對(duì)常見巖石的最大測距

3.4 植被測距分析

植被是激光掃描測量危巖落石中主要干擾因素,實(shí)際測量中,應(yīng)盡量降低植干擾。在成貴鐵路某危巖體三維激光勘察研究過程中,危巖體前面多有植被遮擋,嚴(yán)重影響后期數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,也影響了被測危巖體的表面模型建立。

通常情況下,對(duì)于植被噪聲以人為刪除為主,圖7為植被噪聲人工去噪前后對(duì)比。盡管這種方法能夠較好去除植被噪聲,但工作量十分龐大,在實(shí)際生產(chǎn)中需要花費(fèi)大量時(shí)間來處理這些噪聲。因此,通過自然測量過程中避免或減少植被噪音十分必要。

圖7 危巖體點(diǎn)云植被噪聲和手動(dòng)去噪

植被的最大測距分析與巖石一樣,差別在于植被波譜與巖石波譜特征有所不同。通過儀器的“反射率-最大測距”曲線和對(duì)應(yīng)植被的波譜特征,可以計(jì)算該儀器對(duì)植被的最大測距。

以Leica C10為例,表3為Leica C10測量幾種常見植物的最大距離。由表3可知,植被最大測距約為210m,最小測距為78m,平均測距約為120m。

表3 Leica C10對(duì)常見植物最大測距

當(dāng)獲得某被測區(qū)域高光譜或多光譜遙感圖后,就可以利用軟件得到該區(qū)域的巖石和植被波譜曲線,也可以利用波譜儀采集測區(qū)巖石和植被波譜曲線,進(jìn)而計(jì)算測區(qū)巖石和植被最大測距。

4 危巖體測距適用性分析

4.1 測距適用性分析

對(duì)表2、表3中巖石最大測距和植被最大測距進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),得到巖石和植被最大測距直方圖(見圖8)。由圖8可知,多數(shù)巖石最大測距均大于150m,多數(shù)植被測距小于150m,總體均值為121m。

圖8 巖石與植被最大測距統(tǒng)計(jì)直方圖

根據(jù)植被和巖石最大測距直方圖,兩條概率曲線交點(diǎn)x約為135m。通過統(tǒng)計(jì)可得植被和巖石在x>135時(shí),植被可被測到的累計(jì)概率為0.27,巖石可被測到的累計(jì)概率為0.89。因此,當(dāng)儀器布設(shè)在距離危巖體135m外時(shí),89%的巖石能被測到,而只有30%的植被能夠被測到,植被測量得以有效抑制。

通過巖石和植被的測距差異性,可通過調(diào)整測站來避免植被干擾。這種避免干擾的方法需要滿足巖石的測量距離比植被測量距離大,原理如下。

設(shè)某儀器對(duì)巖石最大測距為M,植被最大測距為m,在最大測距條件下,儀器所測得的巖石點(diǎn)云滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。在進(jìn)行測量時(shí),可將儀器測站設(shè)在距離被掃描區(qū)域[m,M]區(qū)間范圍,則儀器在巖石測距范圍內(nèi),同時(shí)因儀器測距超出對(duì)應(yīng)植被最大測距,儀器可獲得巖石的反射激光脈沖,但無法獲得植被的反射脈沖,植被無法被測得,進(jìn)而避免植被點(diǎn)云數(shù)據(jù),原理如圖9所示。

圖9 測距法減少植被噪聲點(diǎn)原理示意

同時(shí),也可以利用巖石和植被波譜曲線差異來指導(dǎo)掃描儀波長選擇,進(jìn)而減少植被噪聲。通過巖石和植被的波譜曲線可以發(fā)現(xiàn),波譜在一些特定的區(qū)間時(shí),植被反射率相較巖石反射率明顯偏低,當(dāng)選擇該波段內(nèi)的激光掃描儀進(jìn)行危巖落石進(jìn)行測量時(shí),可大大提高巖石的測量距離,危巖點(diǎn)云將得以最大程度獲取,而由于植被反射率明顯較小,其最大測距值較小,在較遠(yuǎn)的測站測量時(shí),大量植被反射波無法被儀器測得,植被點(diǎn)云被抑制,噪聲減少。

4.2 實(shí)例應(yīng)用

成貴鐵路威信至畢節(jié)段灰?guī)r和厚層砂巖分布廣泛,區(qū)內(nèi)危巖落石發(fā)育,是良好的危巖落石勘察測量試驗(yàn)場地,本次選取5個(gè)工點(diǎn)(6個(gè)測量點(diǎn))進(jìn)行分析,測量儀器為Leica C10三維激光掃描儀。

根據(jù)野外測量點(diǎn)布設(shè)和后期數(shù)據(jù)處理,得到各工點(diǎn)位置下的危巖落石三維點(diǎn)云圖像,各工點(diǎn)設(shè)站距離和掃描效果如表4所示。由表4可知,當(dāng)測距小于100m時(shí),盡管危巖點(diǎn)云效果較好,但表面植被噪聲較大,去除比較困難;當(dāng)點(diǎn)云與測站距離為120～180m,植被點(diǎn)云明顯減少,巖體點(diǎn)云分辨率可以辨別危巖落石,部分植被噪聲得到抑制。隨著距離增加,盡管植被噪聲減少,但是巖體點(diǎn)云質(zhì)量也在下降,獲得危巖落石效果較差(如圖10所示);當(dāng)距離大于230m時(shí),危巖落石無法被測量。

圖10 坪上隧道出口測站1處點(diǎn)云

表4 試驗(yàn)工點(diǎn)測量點(diǎn)云效果

根據(jù)野外試驗(yàn)測量的點(diǎn)云質(zhì)量結(jié)果,當(dāng)進(jìn)行野外危巖落石測量時(shí),Leica C10掃描儀宜在危巖落石分布區(qū)外120～150m范圍設(shè)站,這樣既可以保障危巖落石結(jié)構(gòu)分辨率,又能局部抑制植被的點(diǎn)云噪音,為后期數(shù)據(jù)處理提供較好的基礎(chǔ)。該測站距離約135m,是較為理想的設(shè)站范圍。

5 結(jié)論

(1)三維激光掃描儀對(duì)地物的測量距離與儀器波長、被測物波譜特征等有關(guān),不同巖石、植被具有不同的波普曲線,三維激光掃描儀對(duì)不同巖石和植被測距也不同,通過野外被測對(duì)象的波普分析可以得到不同儀器對(duì)不同地物的最大測距。

(2)測距曲線可通過冪函數(shù)表征,通過擬合獲得三維激光掃描儀“反射率-最大測距”曲線,利用該曲線計(jì)算得獲得該掃描儀對(duì)不同巖石和植被的最大測距,表明該儀器對(duì)巖石的平均最大測距比植被大,適用于邊坡或陡崖勘察。

(3)通過“測距減噪”方法,可以局部減少危巖體表面植被噪聲,為后期模型建立提供較好的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),測距分析認(rèn)為Leica C10掃描儀的測站設(shè)立位置宜在距被測陡崖135m處。