三维激光扫描技术在地质灾害调查中的应用研究

李冠，张立伟

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100039)

1 引 言

1.1 地质灾害调查工作现状

地质调查与测绘是开展地质灾害勘查的重要技术手段，系统采集边坡岩体中各类结构面的空间几何信息是识别边坡地质灾害隐患、评价其稳定性的重要基础工作。而传统地质调查测绘主要以罗盘、皮尺等方式进行现场数据采集，这些方法工作量大、效率低、信息量离散，甚至还要面临极大的安全风险。

1.2 三维激光扫描技术特点

三维激光扫描方法可直接获取被测量岩体的表面各点的三维坐标，高精度地全自动测量岩体中面状结构单元的空间几何信息，通过对这些信息进行有效地处理和分析，实现岩体结构面定位和几何特征信息采集，基于这些信息来进行危岩体识别和稳定性评价。从而可实现远距离、快速、精确、大面积地获取被测量岩体表面密集点的三维坐标数据，多方位展示边坡体中潜在地质灾害隐患体信息。

1.3 研究思路

采用三维激光扫描技术应用于地质灾害监测时，点云数据的采集质量和处理质量是后续进行地质灾害数据分析的重要前提。因此，本文以地质灾害监测的具体项目作为实例，以三维激光扫描技术在具体项目中的应用流程作为主线，重点对数据采集、数据处理过程中的关键技术进行分析研究。

2 研究内容

三维激光扫描工作主要分为数据采集以及数据处理两个阶段。为保证获取的数据能满足后续的处理要求，本文以数据处理精度指标、数据完整性、数据密度作为重点，以项目实例中的数据融合处理作为评价依据，开展数据处理质量指标的统计分析研究。本文从以下两方面来进行研究分析工作。

(1)设站分布条件研究

三维激光扫描的设站工作是开展数据采集工作的基础，设站分为控制站设置和自由设站设置，本文主要开展控制站、自由设站的分布对点云数据处理精度的影响的统计分析研究。

(2)扫描参数设置研究

本文的研究工作采用的仪器为Riegl VZ400i三维激光扫描仪，在此环节的研究工作中，以仪器中扫描角分辨率、扫描频率等参数的设置组合为试验基础，开展主要仪器参数的设置对最远扫描距离、数据完整性等影响扫描数据质量的相关参数的影响情况的统计分析研究。

3 实例分析

3.1 实例介绍

本文以某地质安全监测预警系统项目作为实例，该项目包含了多个监测站点，涵盖了崩塌、泥石流、不稳定斜坡和滑坡等主要地质灾害类型，实例数据如图1所示。

图1 实例点云数据示意图

3.2 数据分析

3.2.1 设站分布条件研究

(1)自由设站分布研究

根据第2节研究内容以3.1中的实例数据进行说明，在实例数据中分别选取间距不同的相邻自由站进行拼接处理，对拼接误差进行统计，选取样本情况如表1所示。

样本情况 表1

通过对样本数据进行处理并统计，统计精度情况如图2、图3所示。

图2 样本拼接精度统计

图3 设站间隔对拼接精度影响统计

从图2图中可得到，当间隔小于100 m时，样本间的精度差异较小，但随着间距的变大，精度的变化幅度会显著变大，且精度值也会显著变大；进一步结合图3来看，当自由设站间隔大于 100 m时，其精度平均值会呈现显著变大的趋势。

由于进行拼接时采用以自动拼接为主，人工干预为辅的方式进行，当设站间隔达到 80 m时，自动拼接的成功率会显著降低，因此在保证拼接精度的同时，也应该考虑自动拼接成功率的因素。

(2)控制站分布研究

在进行点云配准时，利用不同的控制点组合(指控制点间距不同)进行解算，并对最终的配准中误差以及点间误差进行统计。

图4 控制站间距对配准精度的影响统计

从图4中可得出：当控制点间距大于 300 m时，间距中误差达到 10 mm，配准中误差则未超过 10 mm，从数据变化情况看，变化趋势并不显著，但除考虑精度指标因素外，还需要考虑拼接成果的可靠性因素，故仍然需要对控制点间距进行适当约束处理。

综上所述，在顾及数据精度和采集效率的情况下，得出了最优的扫描控制站分布设置。其中控制站间距主要考虑相关规范中对应的要求，即控制点之间的连续配准次数不宜超过5次，换算下来大致相当于最大间距为 300 m左右，同时考虑作业效率故最终将控制站间距设为 150 m～300 m之间。

3.2.2扫描参数设置研究

在本项目数据采集实施的过程中，通过对相关的采集参数进行调整，例如激光脉冲频率，扫描角分辨率(PANAROMA)等参数进行了尝试，为满足数据处理要求及后续算法编制的数据需求，对参数设置的搭配进行试验：

(1)最远扫描距离统计

通过仪器使用说明中可以得知，影响扫描频率的设置的是最远扫描距离，所以在进行后续试验前，先对不同扫描频率对应的最远扫描距离进行试验统计，但由于最远处的点云往往较为稀疏而无法对后续的数据处理过程起作用，所以主要对处于有效数据范围内的最远扫描距离进行统计。

研究使用的三维激光扫描仪为Riegl VZ400i为脉冲式扫描仪，原理是通过发出激光脉冲至扫描对象上，通过接收从扫描对象上反射的回波信号实现对扫描对象的测量功能，扫描仪对于不同材质的反射率是不一样的，在进行最远扫描距离统计前，首先是扫描仪对于不同材质的反射率的情况统计，从仪器说明书中统计如表2所示。

不同材质的扫描反射率统计[1] 表2

材质对应的反射率越高，其回波信号就越容易被仪器接收，导致了两方面的结果：一是在相同距离条件下就越容易被测出，二是越容易在更远的距离处被测出。本项目的研究对象主要是反射率为60%的岩壁结构、反射率为80%的石灰岩结构，针对此两种材质的最远距离统计情况如图5所示。

图5 不同扫描频率下最远扫描距离的变化情况[1]

由图5可以得出，当扫描频率超过 300 MHz时，在一般的扫描条件下(60%)，对应的最远扫描距离会下降至 400 m。

(2)数据完整性统计

在后续的分析过程中，基于最远距离的统计成果，以 100 MHz在 100 m处获取的数据作为参照，将其他参数配置条件下获取的数据量相对于该数据的完整程度作为评价指标，即数据完整度评价，对不同扫描距离的条件下点云数据获取情况进行统计。

由图6中可以得出，1200 MHz条件下在200 m处的数据完整度已经仅能达到20%左右，说明该扫描频率水平下的数据并不能很好地适用于本项目的数据生产工作，故在后续的分析工作中，将不对该扫描频率下的数据进行统计分析；而 600 MHz条件下在 200 m处的数据完整度也仅能达到50%的水平，在 150 m处为约60%，以70%作为参考水平来看，该扫描频率水平也仅能适用于扫描距离在 100 m以内的数据采集场景。

图6 数据完整度统计

而在200 m～300 m范围外的扫描场景中，也仅有 100 MHz条件下的数据完整度能保持一个相对较高的水准，达到75%以上，这也说明就数据完整性方面论，应尽量将扫描距离控制在 200 m以内方可达到较为理想的数据完整水平。

(3)点云密度统计

本项目所用仪器的角分辨率主要利用PANAROMA值来进行评定，变化范围主要是从10～80，在扫描频率不变的情况下，对在距离由近及远变化的过程中不同角分辨率下对应的点云密度进行试验及统计。

图7 点云密度统计

在不同扫描频率以及角分辨率搭配使用的情况下，对扫描时间进行试验及统计。

由图8中可以得出，在100 m处，上述角分辨率模式下对应的点云密度均小于 20 mm，角分辨率参数值小于40对应的点云密度小于 10 mm，而在 200 m处，角分辨率参数值小于40对应的点云密度小于 20 mm。参考《地面三维激光扫描作业技术规程》(CH/Z 3017-2015)中二等三维激光扫描测量中关于最大点间距的技术要求，同时结合扫描时间的统计情况，需要考虑将角分辨率值设定在40及以下，方可较好地满足后续数据需求。

图8 扫描时间统计

4 结 论

4.1 数据采集处理的最佳参数化配置

(1)站点设计最佳配置

以控制站和自由设站的不同分布情况作为变量，对拼接精度指标以及平差精度指标进行统计，对精度的变化趋势以及精度差的变化情况进行分析，最终得出扫描设站的最优配置情况如表3所示。

扫描站设置 表3

(2)扫描参数最佳配置

以扫描角分辨率、扫描频率和扫描距离作为变量，对平差精度、数据密度及数据完整性进行统计，对相关参数的变化趋势情况进行分析，综合考虑扫描密度、数据完整度以及扫描效率的情况下，扫描参数设置的参考值如表4所示：

数据采集参数设置表 表4

针对不同类型的测站的仪器参数设置情况如表5所示。

扫描参数设置 表5

4.2 结 语

本文采用充足的实例数据，针对三维激光扫描技术在地质灾害监测工作中应用过程中所涉及的采集处理技术关键点进行统计分析，得出开展项目应采用的最优化配置。为了满足后续工作要求，经过多种类型的数据试验可以得出，用于地质调查的三维激光点云数据精度点云密度均须优于 2 cm，重要区域的点云密度要求则会更高；数据完整度方面则需要尽可能地达到80%以上，重要区域则需要达到90%以上。开展实际工作时，为了有效控制各项指标能满足要求，需要在测站设置、参数设置以及数据处理策略三方面入手，在后续过程中，将继续开展实例验证工作对各类采集处理参数的配置进行更广泛、充分的验证。