三维激光扫描技术在地质灾害应急测绘中的应用

胡 磊, 彭劲松, 叶 波, 陈海佳

(1. 武汉海达数云技术有限公司,湖北 武汉 430023； 2. 湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005)

中海达·开启智时代

三维激光扫描技术在地质灾害应急测绘中的应用

胡 磊1, 彭劲松2, 叶 波1, 陈海佳1

(1. 武汉海达数云技术有限公司,湖北 武汉 430023； 2. 湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005)

通过研究三维激光扫描仪快速获取突发性地质灾害的地形数据，结合激光点云分析软件，将三维数据和二维数据相比，并以真三维进行展示和分析，结合应急指挥解决突发性地质灾害应急高精度测绘的需求。

三维激光扫描；地质灾害；应急测绘

地质灾害的分类就地质环境或地质体变化的速度而言，可分突发性地质灾害与缓变性地质灾害两大类。对于缓变性地质灾害，可采用多次固定观测数据进行对比分析，阶段性的激光点云数据形成对比分析形变量，达到预警值则需进行地质灾害发生警报，做到可控性灾害防治。突发性地质灾害是最难以预警的，灾害发生后，需要快速、直观、高精度地获取灾害地形基础数据进行应急处理，三维激光设备恰好能快速获取现场数据，结合激光点云分析软件，快速生产地形图、方量等信息用于特种应急指挥，可为应急灾害提供精准的基础数据。

1 三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描技术是从复杂实体或实景中重建目标的全景三维数据及模型，它通过高速激光扫描测量的方法，获取目标的线、面、体、空间等三维实测数据并进行高精度的三维逆向建模。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”。

本次研究采用中海达HS1200三维激光扫描仪进行数据获取，HS1200采用脉冲式激光测距的基本原理，如图1所示，在地质灾害应急方面与传统测绘技术相比有以下优势特点：

图1 三维激光扫描仪工作原理

(1) 非接触测量。三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，可以用于解决危险目标、环境等特殊情况，最远距离可达1200 m。

(2) 数据采样率高。目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到50点/s，可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。

(3) 主动发射扫描光源。三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源(激光)，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体数据信息，因此扫描过程中，可以实现不受扫描环境时间和空间的约束。

(4) 高分辨率、高精度。三维激光扫描测量技术可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而最高可达到5 mm高分辨率的三维激光数据，对于单点测量精度也完全满足一般测量需求。

2 技术方案

本次工作主要内容是利用三维激光扫描技术对贵州威宁县滑坡点监测及四川省绵竹市小岗剑滑坡点监测，采集三维激光数据，生成地表模型并提取研究区地表分类数据。整体技术方案(如图2所示)如下。

图2 三维激光扫描技术方案

2.1 采集方案制定阶段

采集方案制定是指整个工作总体及技术方案制定过程，针对贵州威宁县滑坡点及四川绵竹市小岗剑滑坡点均采用三维激光扫描仪远距离获取数据，HS1200三维激光扫描仪具有后视定向功能，可高精度获取绝对坐标系的激光点云数据，经过初步踏勘，拟定合适的架站位置，尽可能全覆盖测区，设置合理的激光参数，制定详细的实施方案。

2.2 外业数据采集阶段

根据现场勘查的结果，贵州威宁县滑坡点采用3个测站点进行数据获取，分别为600 m处2个远距离测站点获取整体滑坡，100 m处1个近距离测站点获取滑坡受灾山村地形。

两次外业数据采集均为绝对坐标数据，采用RTK结合HS1200后视定向功能获取了WGS-84坐标系下的绝对激光点云数据。如图3所示。

2.3 内业数据处理阶段

通过HD_3LS_SCENE软件可将点云导入，同时将RTK获取的绝对坐标信息以文本格式导入，软件将自动识别后视标靶并匹配绝对坐标可自动将点云匹配至WGS-84坐标系下。

图3 原始三维激光数据

再通过自动去除噪点，通过激光多次回波信息，提取出地表数据及植被信息，通过对地表激光点云数据构TIN，制作出DEM数据。如图4所示。

图4 基于点云数据生成的DEM

3 成果应用及分析

3.1 基于点云数据绘制裂缝线

在山体滑坡监测中，实时掌握裂缝所在位置、裂缝宽度对危岩应力分析尤为重要。中海达的点云后处理软件中可清晰分辨裂缝体所在位置并进行量测。如图5所示。

3.2 任意区域自动化计算

基于点云数据可自动生成DEM，由此可获取任意区域面积，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上生成。如图6所示。

图6 任意区域自动计算

3.3 提取山体任意横断面线

由于点云数据具有高精度的点云坐标信息，因此可在点云后处理软件中制定横断面，即可得到横断面线。

4 结 语

本项目研究已经完全满足使用需求，从中可以看出三维激光扫描技术的最大优点即快捷、方便、准确、动态、实时、全数字化，具有高精度、测量方式灵活、不接触等特点，可以迅速获取对象物体的空间三维数据，以便对其模型进行数据处理、分析，或者为相应的数字化产品提供基础数据源；具有数据精确、测量时间短、工作效率高的特点，可以真实反映现实环境，实现精细化测绘，给当地各级部门提供了真实可靠的灾情数据。