機(jī)載LiDAR技術(shù)在坡面孤石識別中的應(yīng)用

樊亞男

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

坡面孤石是裸露于地表或淺埋于殘積土層中的中～微風(fēng)化花崗巖球狀風(fēng)化體[1-2]。廣州市地貌以山地丘陵為主，基巖多為花崗巖，孤石發(fā)育。受降雨和人類活動(dòng)等因素影響，大量孤石出露地表，在斜坡之上形成坡面孤石。坡面孤石形狀多為球狀或橢球狀，孤石失穩(wěn)后以其速度快、運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)的特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅其周邊建構(gòu)筑物及人員安全。探索坡面孤石調(diào)查和綜合防治方法意義重大。目前坡面孤石調(diào)查工作多以人工調(diào)查為主[3-5]，但受植被覆蓋和道路不通等影響，人工調(diào)查難以做到全方位、無死角。本文采用機(jī)載LiDAR技術(shù)，對廣州市黃埔區(qū)暹崗山一帶開展坡面孤石遙感識別，以人工核查的方式對識別結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，探索機(jī)載LiDAR技術(shù)在坡面孤石識別的有效性和適用性，為坡面孤石崩塌災(zāi)害的防治提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

暹崗山位于黃埔區(qū)聯(lián)和街道開創(chuàng)大道北與科翔路交會(huì)處，地處該區(qū)中心地段，中心地理坐標(biāo)23°11'7.39″、113°27'11.62″，面積約16 km2。該區(qū)域?qū)賱兾g構(gòu)造低山殘丘的山間凹地，地面高程介于90～300 m，整體坡度為5°～40°，局部可達(dá)75°。區(qū)內(nèi)基巖以花崗巖為主，巖體經(jīng)長期球狀風(fēng)化作用，原地解體或機(jī)械搬移形成大量的孤石球狀風(fēng)化體，零散分布在山體上，且大多被植被覆蓋。受周邊人類活動(dòng)和降雨等因素影響，坡面孤石極易失穩(wěn)破壞，對周邊企業(yè)、住宅、學(xué)校、道路造成嚴(yán)重威脅。

2 機(jī)載LiDAR技術(shù)工作流程

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)集成了定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備，是一種通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地表信息提取和三維場景重建的對地觀測技術(shù)。首先，分析項(xiàng)目區(qū)行政區(qū)劃、交通、通信和自然地理等基礎(chǔ)資料，并進(jìn)行飛航空域申請。其次，開展系統(tǒng)綜合檢校和地面檢校，消除系統(tǒng)誤差和其他干擾因素，進(jìn)行仿地飛行，獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再次，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，分離地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、建筑物點(diǎn)等三維坐標(biāo)點(diǎn)，獲取測區(qū)數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）；基于地質(zhì)環(huán)境條件和航飛數(shù)據(jù)，建立遙感解譯標(biāo)志，并開展室內(nèi)解譯工作。最后，對室內(nèi)解譯結(jié)果進(jìn)行野外復(fù)核驗(yàn)證、修正，編制解譯成果報(bào)告及圖件。

3 機(jī)載LiDAR遙感解譯結(jié)果

遙感解譯是遙感調(diào)查的重要環(huán)節(jié)，在基礎(chǔ)圖像上重現(xiàn)野外實(shí)際環(huán)境景觀，基于地學(xué)原理進(jìn)行地物識別及定性和定量、時(shí)間和空間分析，以人機(jī)交互的方式獲取坡面孤石及其發(fā)育環(huán)境信息。

3.1 建立解譯標(biāo)志

不穩(wěn)定的坡面孤石屬于危巖體，是潛在的崩塌體。高清三維光學(xué)影像可清晰拾取地表信息，坡面孤石在三維光學(xué)影像上會(huì)呈現(xiàn)一定特征，可作為坡面孤石識別的有效標(biāo)志。坡面孤石光學(xué)影像特征如圖1所示。

圖1 坡面孤石光學(xué)影像特征

孤石為中～微風(fēng)化花崗巖球狀風(fēng)化體，顏色多為青灰色、灰白色等淺色調(diào)，與周圍環(huán)境色差明顯；孤石形狀通常較為規(guī)整，呈球狀、橢球狀，以群落形式散落于斜坡上；孤石與孤石界線清晰，間隙生長少許植被，局部地面裸露。

光學(xué)效果的視覺效果比較直觀，但廣州市山地丘陵區(qū)植被茂盛，植被對坡面孤石的遮擋效果導(dǎo)致植被茂盛區(qū)域的坡面孤石難以通過光學(xué)影像清晰識別。三維數(shù)字高程影像可有效濾除植被，去掉表面干擾信息，完整地表現(xiàn)地表形態(tài)。孤石高程影像特征如圖2所示。

圖2 坡面孤石高程影像特征

孤石發(fā)育區(qū)坡面較為粗糙，顏色呈暗灰色、灰色等，表面凸起明顯；孤石三維形態(tài)表現(xiàn)良好，界線清晰可見。

3.2 初步解譯

根據(jù)機(jī)載LiDAR航測結(jié)果和坡面孤石在三維光學(xué)影像、三維數(shù)字高程影像上的特征，以人機(jī)交互的方式開展坡面孤石的初步解譯工作，形成初步解譯成果，解譯內(nèi)容包括地理位置、所處地貌類型、微地貌、植被特征、孤石規(guī)模、形態(tài)、基座特征、穩(wěn)定性、危害性等。

3.3 野外驗(yàn)證

對初步解譯結(jié)果及解譯過程中存在的不確定和疑問點(diǎn)，采用人工野外調(diào)查的方法進(jìn)行逐一驗(yàn)證復(fù)核，重點(diǎn)核查坡面孤石存在與否及其發(fā)育特征，對比遙感解譯標(biāo)志和野外復(fù)核結(jié)果，對不確定以及疑問點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，對已建立的遙感解譯標(biāo)志進(jìn)行修正完善。

3.4 綜合解譯

對比分析坡面孤石遙感解譯標(biāo)志及野外驗(yàn)證結(jié)果，在修正解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上對研究區(qū)開展坡面孤石崩塌隱患識別。本次暹崗山測區(qū)共識別出坡面孤石群106處，直徑大于3 m的坡面孤石1 355個(gè)，主要分布在測區(qū)的西南部，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查成果，可將坡面孤石劃分為穩(wěn)定孤石和不穩(wěn)定孤石，數(shù)量分別為300個(gè)和1 055個(gè)，收集勘查資料顯示正在治理孤石數(shù)量共計(jì)854個(gè)。

對坡面孤石綜合解譯成果進(jìn)行抽樣查證，查證比例不少于10%，隨機(jī)選取15個(gè)孤石群開展現(xiàn)場查證工作，其中10個(gè)孤石群的遙感解譯結(jié)果與現(xiàn)場驗(yàn)證基本吻合，5個(gè)孤石群現(xiàn)場調(diào)查的孤石數(shù)量遠(yuǎn)多于遙感解譯結(jié)果，但直徑大于3 m的坡面孤石數(shù)量與遙感解譯結(jié)果基本一致。由此可見，機(jī)載LiDAR技術(shù)在坡面孤石識別中具有很好的效果。

坡面孤石分布如圖3所示。

圖3 暹崗山坡面孤石分布

3.5 成果分析

本次機(jī)載LiDAR遙感調(diào)查共識別坡面孤石群106處（大于3 m的坡面孤石1 355個(gè)），空間分布呈現(xiàn)“南多北少”的規(guī)律，坡面孤石的分布特征與地層巖性、地形地貌、人類活動(dòng)等因素密切相關(guān)。

3.5.1 地層巖性

研究區(qū)基巖以花崗巖為主，局部出露變質(zhì)巖。坡面孤石是花崗巖因差異風(fēng)化形成的球形或近球形風(fēng)化物，均形成于花崗巖分布區(qū)，對比研究區(qū)花崗巖形成時(shí)代，三疊系花崗巖較易形成孤石；從粒徑來看，中粗?；◢弾r較細(xì)?；◢弾r更易形成孤石。

3.5.2 地形地貌

地層巖性是孤石形成與否的決定性條件，地形地貌是其能否出露及穩(wěn)定存在的重要因素。地形地貌以其自然坡度和匯水條件影響坡面孤石的發(fā)育，孤石形成后通常埋藏于地下，山體匯水條件越好、匯水面積越大，坡面土體受雨水沖刷越明顯，孤石越容易出露形成坡面孤石；坡面孤石所處地形坡度越陡，受重力和外界影響，孤石越易失穩(wěn)，滾落至坡腳。因此，坡面孤石大多分布于研究區(qū)南部山地范圍內(nèi)坡度相對較緩的區(qū)域。

3.5.3 人類活動(dòng)

人類活動(dòng)的影響主要表現(xiàn)為山體開挖引起的地形變化，坡面孤石形成后大多處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，受風(fēng)化剝蝕和降雨沖刷影響逐漸趨于不穩(wěn)定，此過程通常很漫長，但人類活動(dòng)對自然環(huán)境的改變是短期內(nèi)發(fā)生的，導(dǎo)致大量坡面孤石出露或因工程活動(dòng)而消除，在孤石本就發(fā)育的南部區(qū)域，頻繁的工程活動(dòng)使得區(qū)域內(nèi)孤石分布十分密集。

4 實(shí)用性及存在問題

4.1 實(shí)用性

本研究首次將機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用到坡面孤石的識別中，取得了顯著的成效，為孤石發(fā)育區(qū)的坡面孤石崩塌災(zāi)害防治提供借鑒。坡面孤石多發(fā)育于人工難以抵達(dá)的山地丘陵區(qū)，隱蔽性強(qiáng)，引入機(jī)載LiDAR技術(shù)可解決人工無法抵達(dá)的問題，良好的植被穿透性克服了植被遮蓋難以調(diào)查的問題。機(jī)載LiDAR在坡面孤石識別上具有較高的準(zhǔn)確率，與人工調(diào)查相比，可大幅度縮短工期，引入機(jī)載LiDAR技術(shù)可有效提升坡面孤石調(diào)查和防治工作效率。

4.2 存在問題

機(jī)載LiDAR技術(shù)航測成本高，在區(qū)域性的坡面孤石調(diào)查中存在一定局限性。坡面孤石的識別受其規(guī)模影響顯著，在小規(guī)模孤石的精準(zhǔn)識別上難度較大。機(jī)載LiDAR技術(shù)在坡面孤石識別中的應(yīng)用受可解譯程度的制約，難以做到調(diào)查內(nèi)容的全面解譯，需進(jìn)一步探索完善。

5 結(jié)語

本文首次將機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于坡面孤石遙感識別，識別準(zhǔn)確率超過60%，取得了顯著效果。機(jī)載LiDAR技術(shù)具有植被穿透性強(qiáng)、不受交通限制、識別周期短等優(yōu)勢，在坡面孤石調(diào)查及防治方面具有較好的應(yīng)用前景。機(jī)載LiDAR技術(shù)的坡面孤石識別準(zhǔn)確率受植被特征和孤石規(guī)模影響，植被越茂盛，識別效果越差，坡面孤石規(guī)模越小，識別難度越大。