三维激光扫描技术在地质灾害中的应用

冯彦磊，马秋禾，贲 进，雷 蓉，薛意盟

（1.信息工程大学，河南 郑州 450001）

三维激光扫描技术在地质灾害中的应用

冯彦磊1，马秋禾1，贲 进1，雷 蓉1，薛意盟1

（1.信息工程大学，河南 郑州 450001）

由于三维激光扫描技术具有高效、快速、高分辨率、非接触、数据处理方便等优点，在地质灾害监测领域得到了广泛应用。此次作业过程中采用三维激光扫描技术对地质灾害隐患点进行了2次扫描，获取点云数据后使用Leica Cyclone进行数据处理，然后再利用Geomagic studio构建三维模型，通过对比获得该地区的变化情况。

地质灾害监测；三维激光扫描；点云数据；三维建模

激光测量技术萌芽于20世纪80年代，利用激光的单色性、方向性、相干性、高亮度等特点将激光引入测量装置中，并表现出巨大的优势。激光测量方法采用非接触方式快速获取海量地面点测量数据，为地质灾害防治提供了有效的监测手段。

1 地质灾害监测方法

现阶段各行业使用的监测方法有多种，如控制网测量方法、航空摄影测量方法、物理化学场监测、核磁共振技术等[1]。

1）控制网监测方法。在地质灾害点布设大地测量控制点或GPS点，通过测量点的位移情况来分析地质灾害点地形变化。该方法操作简单、直观性强、技术成熟且精度较高[2]，但是只能表达离散点的位移变化情况，不能全面、完整、连续地表达地形变化。

2）航空摄影测量方法。航空摄影测量技术是通过不同时期的地质灾害隐患点的航片制作大比例尺地形图、DEM、DOM来获得地形变化情况，并以此为依据分析和预报灾害。该方法受天气影响较大，云层遮盖、水汽折射以及地面非地形因素的干扰使拍摄的航片难以完全表达地表形态，而且图像的处理难度较大、作业费用昂贵、作业周期长，影响灾害的应急处理。航空摄影测量获取的影像数据可作为基础资料对测区周边环境进行补充，以便日后监测。

3）车载移动测量设备。采用移动测量车以及相关设备对目标区域进行移动扫描拍摄，该方法集成了GPS定位技术、惯导装置、激光扫描、摄影测量等技术，可快速获取点云数据[3]，但该方法受地域限制，不能快速到达山区等难以通行的地区。

4）其他监测方法。其他监测方法如物理化学场监测、地下水监测等，这些方法需要用到相应的专业仪器，且只针对较小区域的监测。

2 三维激光扫描监测

鉴于以往传统监测方法存在的不足，本次作业采用三维激光扫描技术进行监测。三维激光扫描技术可以获取海量地面点三维坐标，直观表达扫描区域的三维景观，并且精度高、扫描速度快、实时性强、使用方便、适用范围广、适用时间长，因此能够更好地服务于地质灾害监测。

2.1 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪按照扫描距离可分为航空激光扫描系统、长距离激光扫描系统、中距离激光扫描系统、短距离激光扫描系统；按照搭载平台可分为机载（星载）激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统；按照工作原理可分为脉冲测距型、相位干涉型和三角法扫描系统。

本次作业采用Leica Scanstation C10型三维激光扫描仪，该扫描仪使用脉冲测距技术，由一台高速激光测距仪和一组可以引导激光并以均匀角速度旋转的反射棱镜构成。扫描范围为0.1 m～300 m，扫描速度最高50 000点/秒，单次测量点位精度6 mm，单次测距精度4 mm，标靶获取精度2 mm，垂直方向角270°，水平方向角360°。

2.2 作业原理

三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，利用激光发射和传回到接收器的时间差计算目标点P与扫描仪的距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度α和纵向扫描角度β（如图1）[4]。目标点P的坐标计算公式为：

图1 三维激光扫描仪作业原理

3 作业过程

河北省邢台市西部地区多为丘陵地貌，较易发生崩塌、滑坡、泥石流和塌陷等自然灾害，灾害隐患点周边环境复杂，受周边居民建筑和植被覆盖的影响，依靠车载移动测量装备获得的测量数据有限，不能满足地质灾害评估的需要。

为减少自然灾害造成的损失，有关部门要求定期对地质灾害隐患点进行监测。由于测区内植被折射的点云过多，到达地面的有效点云数量有限，影响地形数据的获取，因此选择在3月和5月进行扫描作业，并利用航空摄影技术获取灾害点周边区域的基础数据。作业流程图如图2所示。

图2 作业流程

3.1 准备工作

相关的准备工作有：

1）资料收集。收集测区相关资料，如交通图、行政区划图和已有的影像图、地形图等。

2）测区踏勘。现场勘查地质灾害隐患点的实际位置、面积、灾害类型、植被覆盖、交通路线等，确定作业方案并标绘于资料图上。

3）测站布设。在被监测区域内均匀布设GPS监测点，个数不少于12个，间距不大于150 m，呈球形标靶分布，不处于一条直线上，以保证全面客观地监测到整个区域。GPS监测点应埋设在相对稳定的地方，要能够长期保存并且不易受到破坏。

3.2 扫描作业

作业前检查仪器是否正常，是否带齐配件，包括电池组、三脚架、球形标靶、数码相机等辅助设备。

在测站位置做临时标记，标明站点号；架设三维激光扫描仪，安置仪器并整平；测量仪器高，取两次测量平均值。

记录相关内容，如操作员、观测时间、测站号、仪器高、标靶号等。在监测点上水平放置球形标靶，注意清除仪器与标靶之间的树木等遮挡物，必要时可使用三脚架。一个测站内保证有至少3个标靶，但实际作业过程中为保证扫描精度，每个测站一般布设4个标靶，确保扫描数据的拼接。记录员绘制简图，记录测站和标靶之间的相对位置关系。

开始扫描之前，在扫描仪主菜单下建立测区目录，设置相关参数，包括附属相机曝光量和分辨率（1 920×1 920像元）、扫描分辨率（100 m内点间隔为5 cm）、扫描范围。然后选择全景三维扫描，扫描方式为“扫+照”。

扫描时，无关人员不得逗留在扫描区域内，且扫描区域内应尽量减少遮挡物。

“全景扫+照”结束后再单独对该测站内的球形标靶进行二次扫描，这样有利于点云数据处理时寻找标靶位置和坐标转换。

3.3 数据处理

本次作业的坐标系统采用CGCS2000平面坐标系，高程基准为CGCS2000大地高，高斯-克吕格投影中央经线为114°。

3.3.1 数据质量检查

把每天的工作数据导出，检查点云数据的质量、数据完整性、连接点是否可用、是否满足拼接要求等。

发现问题及时处理，必要时进行补测。

3.3.2 数据预处理

Cyclone软件是Leica三维激光扫描仪配套的点云数据处理软件，可以在该软件中进行点云数据的浏览和相关操作。

1）拼接。依次将各测站的点云数据导入到Cyclone软件中，拟合测站内标靶，以连接点在测站的坐标为基准，通过约束条件对坐标轴进行旋转和平移，然后将不同测站的点云数据拼接在一起，形成一个统一的任意坐标系的整体区域。分站数据进行拼接时，最大误差不得超过0.006 m，该过程也称为配准。

2）点云统一化。将多块点云合成一个单一有效的点云。

3）坐标系归化。导入测区内，用控制点的大地坐标将控制点与点云数据作联合平差，计算残差应小于2 cm，然后将整个测区统一转换到CGCS2000坐标系中。

4）点云赋色。通过软件对相机拍摄的纹理影像和扫描的黑白点云匹配，生成具有色彩信息的点云数据。

5）过滤。在扫描时树木、房屋、行人等非地形要素也会被扫描并构成点云，而这些点云数据并不参与地形变化分析，应使用Cyclone软件的剖面切割、视角转换等功能将其删除[5]。

3.3.3 构建三维模型

三维建模是指对三维物体建立适合于计算机处理和表示的数学模型。本次作业采用Geomagic studio软件进行建模。该软件是通过扫描点云自动生成数字模型的逆向工程软件，可创建一个最优化的拟合曲面外形。

首先将处理好的*.XYZ格式点云数据导入Geomagic studio（见图3）软件中，去除因折射或错误造成的飞点，然后统一采样，降低点云密度，使平坦曲面上的点数目减少量一致，可以加快处理速度。采样之后将离散的点云数据封装建立TIN模型（见图4），然后进行数据填充，填补因删掉树木、房屋等造成的数据漏洞（见图5）。对该模型进行数据检查，“网格医生”功能可以自动修复多边形网格内的缺陷，删除被选中的有错误的三角形，多次重复进行，直到完全消除错误。此时三维模型即可真实显示地表起伏状况[6]。

图3 导入的点云数据

图4 封装后的点云

图5 填充后的点云

3.4 三维模型分析

将两个监测时期获取的地质灾害隐患点的三维模型进行分析，计算两个模型的体积偏差大小，在偏差分析图中以不同颜色表示地形数据变化情况，并与给定限差相比较，分析地形变化情况。同时对两个时期的GPS监测数据进行对比，分析监测点的沉降状况，对该地区的稳定性进行评估。

图6中两个监测时期的三维模型的偏差分析结果和GPS监测点比较结果说明，该区域地形变化在允许范围内，暂时没有发生灾害的迹象，目前较安全。

图6 偏差分析图

4 结 语

三维激光扫描技术可以高精度、高效率、高密度地获取监测区域的点云数据[7]，能更准确、快速、高效、低成本地完成地质灾害监测任务，该技术以其良好的监测效果在相关部门得到了很好的应用。随着软件国产化进程的加快、功能的升级、硬件费用下降以及深入的研究，三维激光扫描技术将会有更广泛的应用[8-9]。

[1] 韩子夜,薛星桥.地质灾害监测方法技术现状与发展趋势[J].中国地质灾害与防治学报,2005,16(3):138-141

[2] 李全宝.GPS技术在地质灾害预警中的应用研究:以新沂市马陵山为例[J].城市勘测,2007(6):69-70

[3] 王辉.车载激光测量系统误差分析及控制[J].测绘地理信息,2015,40(4):70-72

[4] 宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备,2008(2):40-43

[5] Leica Geosystems HDS Cyclone培训手册[Z].徕卡测量系统股份有限公司,2009

[6] Leica Scanstation C10使用手册[Z].徕卡测量系统股份有限公司,2011

[7] 习晓环,骆社周,王方建,等.地面三维激光扫描系统现状及发展评述[J].地理空间信息,2012,10(6):13-15

[8] 谢宏全,侯坤.地面三维激光扫描技术与工程应用[M].武汉:武汉大学出版社,2013

[9] 张启福,孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘,2011(1):39-42

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B

1672-4623（2016）10-0098-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.031

冯彦磊，硕士研究生，研究方向为摄影测量。

2015-11-27。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41271391）。