三维激光扫描在高陡边坡勘察中的测距分析

刘伟鹏 吴 光 张广泽

(1.中铁二院工程集团有限责任公司 ,成都 610031; 2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院,成都 610031)

1 概述

三维激光扫描具有“非接触性、高效率、高速率、大数据”等优点,在高陡边坡勘察中得到大量应用,具有广泛的应用前景。徐进军等利用三维激光扫描技术在滑坡变形监测取得较好效果[1-2];ABELLÁN A等利用长测距三维激光扫描仪对危岩落石进行测量,并建立三维地面模型分析危岩体稳定性[3];李东黎等把三维激光扫描技术引进到危岩落石勘察中,并获得良好成效[4-6];禾秉顺等利用三维激光扫描点云数据进行岩体结构面几何参数计算,获得岩体结构面参数[7];刘昌军等利用三维激光扫描获得点云,并对岩体结构面产状进行自动识别分析[8-9];谢雄耀等利用三维激光扫描技术在隧道全断面变形监测中进行应用,以分析隧道不同阶段的变形特征[10];游志诚通过三维激光扫描技术测量结构面的形态点云,建立结构面表面模型,对结构面强度的各向异性进行研究[11];胡超基于三维激光扫描技术建立边坡开挖质量评价新方法[12];董秀军利用三维激光扫描在获取高精度DTM上进行了应用,取得较好效果[13];宋云记利用三维激光扫描技术在隧道施工阶段进行质量管控及病害检测获得较好成效[14]。然而,国内外对三维激光扫描技术在勘察领域的基础研究相对较少。为更好把三维激光扫描测量技术引入地质工程和岩土工程领域,对三维激光扫描仪在危岩体勘测中的测距进行分析,统计扫仪器对不同地物的测距特征,针对性提出“测距控制法”减小勘测过程中的植被噪音,以期为野外扫描工作提供必要的指导。

2 三维激光扫描测量系统

2.1 三维激光扫描仪测量原理

如图1所示,三维激光扫描仪从测站发出测量激光束并抵达被测物表面,光束发生漫反射,部分返回仪器并被探测到。仪器接收漫反射测量激光束的往返时间为t,再计算被测物体与测站的距离观测值S。同时,仪器内的精密时钟控制的角度编码器可同步测量光束的横向扫描角度观测值φ和垂向扫描角度观测值θ。

图1 地面三维激光扫描仪测量原理

在工作之初,三维激光扫描仪会自动建立一个测量坐标系,在该坐标系中,三维激光扫描获得的实测数据为:被测点到坐标原点O的直线距离D、垂直转角θ、水平转角φ和回光强度I。

仪器软件可以将实测数据转换成坐标系三维坐标值,三维激光扫描仪测得点的三维坐标P(x,y,z)与实测值D、θ、φ的关系为

式中,D为扫描仪与被扫描点的直线距离;θ为激光束垂向方位角;φ为激光束水平方位角与X轴的夹角。

2.2 扫描仪技术参数

以瑞士Leica ScanStation C10扫描仪为例,分析该仪器对危岩体的测距能力,表1为该仪器的主要参数指标。

表1 ScanStation C10技术参数

激光波长影响扫描仪测量距离,激光波长(频率)决定了特定材料的波普反射能力,反射能力则决定了扫描仪最大测量距离,通常把这种反射能力用反射率表示。此外,被测物体外表面的粗糙程度也对反射率有很大影响,进而影响仪器最大测距。

3 三维激光扫描测量测距分析

3.1 三维激光扫描仪测距影响因素及模型

根据三维激光扫描仪工作原理,仪器发射并接收测量物体的反射波,得到激光束往返传播时间t、测量距离D。因此,当得到测量物体反射波谱、扫描仪激光波长,就可分析仪器对测量物体的最大测距。

在不同大气环境下,分析不同物体最大测距值,并结合被测物体反射率值,可获得扫描仪对各类物体的“反射率-最大测距”曲线。图2为Riegl vz-6000三维激光扫描仪的“反射率-最大测距”曲线。

图2 RIEGL VZ-6000扫描仪测距曲线

由图2可知,仪器对被测物体测量的最大距离随着激光反射率增大而增大。同时,扫描仪测距与被测物体反射率并不呈线性关系,被测物的反射率较小时,随反射率的增大,测距增长较快,反射率达到较大值(80%)时,被测物最大测距增长则不明显。

针对激光测距随反射率增大,其最大测距增大幅度逐渐减小,认为是由于大气中颗粒物体对激光波能量的衰减作用所引起的。大气颗粒物会对光波产生各种作用,如大气散射、大气吸收和大气折射等,大气层颗粒物减弱了发射波和反射波激光束能量,使得仪器无法检测反射波,减小了测量距离。当在小反射率区间时,激光传播距离较近,波速能量衰减较少,随着反射率增大,最大测距增大明显;随着被测物体测距增大,大气的影响也逐渐变大,波速能量衰减量增大,测距增长幅度逐渐减小。此外,在小反射率区间,不同能见度大气的测距相差较小,不同反射率物体的最大测距也相差较小,但随着反射率增大,各物体最大测距差值逐渐增大。

通过图2所示的测距曲线可以看出,幂函数可以很好反映这类测距模型[15]。通常情况下,仪器厂家只会提供数组不同反射率条件下的最大测距,根据这几组数据,可以构建一条反映该仪器所对应的“反射率-最大测距”曲线模型,进而可计算仪器对任意反射率物体的最大测距。

根据Leica C10仪器所给的参数,物体在反射率为18%时,最大测距为134m;反射率为90%时,测距为300m;当反射率为0时,测距为0m。可设该仪器的“反射率-最大测距”为L=aρb,把反射率和最大测距值代入,有

则Leica C10仪器“反射率-最大测距”曲线可表达为

曲线如图3所示,通过该曲线模型,获得物体反射率后,可利用式(3)计算物体的最大测量距离。

图3 Leica C10测距曲线

3.2 地物波谱特征分析

三维激光扫描测量是通过波普反射时间差进行测量,地物反射率决定了其对波的反射能量大小。对于危岩落石勘察而言,测量主体为岩石,各类型岩石反射光谱研究有助于仪器和测站位置选择。

岩石光谱是由各种不同的矿物光谱混合组成的合成光谱,不同岩石反射波普差异性较为明显。岩石光谱特征受到岩石矿物成分、结构、构造和表面状态等因素影响。研究表明,这种混合效应是非线性的。

沉积岩波谱反射率很大程度上是由岩石表观颜色、矿物的化学成分、结构及构造、风化壳物质性质及风化程度、岩石表面的覆盖物性质等方面决定。其中,矿物成分和岩石风化面颜色对层积岩波谱特征起决定性作用。沉积岩野外实测反射波谱曲线表明:沉积岩反射率随着颜色的加深而降低,沉积岩的颜色与铁、黏土矿物的含量有较大关系。沉积岩野外反射率一般在5%～35%之间;在黄光波段、TM3波段(0.62～0.69 μm)沉积岩波谱曲线形态相对变化较显著,有利于沉积岩的光谱识别。

岩浆岩成分差别较大,通常划分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩。岩浆岩波谱反射率取决于岩石化学成分、粒度结构、岩石构造、表面风化程度和表面覆盖物等因素。其中,岩石的化学成分(特别是SiO2)是主导因素。岩浆岩波谱的基本规律是:超基性岩和基性岩的反射率低,中性岩浆岩反射率中等,酸性岩浆岩反射率偏高。

变质岩是原岩通过变质作用而形成的,其反射波谱特征与原岩有很大的关系,多数波谱特征与原岩相近。图4为ENVI软件波谱库中常见三大岩类的波谱曲线。

图4 常见岩石波谱曲线

危岩落石勘测中,植被是最主要的干扰因素,对植被的光谱特性进行分析研究有助于三维激光扫描仪波长等参数的选取。

植物波谱特征取决于植物叶片的物理结构。图5表述了绿色植物电磁辐射特征的标准波谱特征和植物光谱响应的生物物理因素。

图5 典型绿色植物光谱反射率特征曲线

植物光谱特征可以概括为可见光2个吸收带、1个窄反射峰、近红外宽反射峰和短波红外反射峰3个强吸收带。这些特征光谱带的形成取决于植物叶片的物理结构:上表皮层及其下的栅栏组织的叶绿素成分决定了可见光的光谱特征,内部的海绵组织决定了近红外强反射光谱特征,植物的含水性决定了短波红外光谱特征。

ENVI软件波普库中,也提供部分室内试验测量获得的植被波谱曲线,如图6所示。

图6 常见草和树木波谱曲线

3.3 岩石测距分析

根据岩石的波谱曲线,可以得到波长λ=532nm岩石的反射率值,把反射率数值代入式(3),可以得到各岩石的最大测距,见表2。

对于不同类型的岩石,Leica C10最大测距也不同。由表2可知,岩石的基本测距都在100m以上,绝大多数岩石最大测距在150m以上。因此,在测量危岩落石时,Leica C10比较合适的测距为150m左右,对于不同的岩石,应适当调整测站距离。

表2 Leica C10对常见岩石的最大测距

3.4 植被测距分析

植被是激光扫描测量危岩落石中主要干扰因素,实际测量中,应尽量降低植干扰。在成贵铁路某危岩体三维激光勘察研究过程中,危岩体前面多有植被遮挡,严重影响后期数据提取和数据准确性,也影响了被测危岩体的表面模型建立。

通常情况下,对于植被噪声以人为删除为主,图7为植被噪声人工去噪前后对比。尽管这种方法能够较好去除植被噪声,但工作量十分庞大,在实际生产中需要花费大量时间来处理这些噪声。因此,通过自然测量过程中避免或减少植被噪音十分必要。

图7 危岩体点云植被噪声和手动去噪

植被的最大测距分析与岩石一样,差别在于植被波谱与岩石波谱特征有所不同。通过仪器的“反射率-最大测距”曲线和对应植被的波谱特征,可以计算该仪器对植被的最大测距。

以Leica C10为例,表3为Leica C10测量几种常见植物的最大距离。由表3可知,植被最大测距约为210m,最小测距为78m,平均测距约为120m。

表3 Leica C10对常见植物最大测距

当获得某被测区域高光谱或多光谱遥感图后,就可以利用软件得到该区域的岩石和植被波谱曲线,也可以利用波谱仪采集测区岩石和植被波谱曲线,进而计算测区岩石和植被最大测距。

4 危岩体测距适用性分析

4.1 测距适用性分析

对表2、表3中岩石最大测距和植被最大测距进行数理统计,得到岩石和植被最大测距直方图(见图8)。由图8可知,多数岩石最大测距均大于150m,多数植被测距小于150m,总体均值为121m。

图8 岩石与植被最大测距统计直方图

根据植被和岩石最大测距直方图,两条概率曲线交点x约为135m。通过统计可得植被和岩石在x>135时,植被可被测到的累计概率为0.27,岩石可被测到的累计概率为0.89。因此,当仪器布设在距离危岩体135m外时,89%的岩石能被测到,而只有30%的植被能够被测到,植被测量得以有效抑制。

通过岩石和植被的测距差异性,可通过调整测站来避免植被干扰。这种避免干扰的方法需要满足岩石的测量距离比植被测量距离大,原理如下。

设某仪器对岩石最大测距为M,植被最大测距为m,在最大测距条件下,仪器所测得的岩石点云满足实际生产需要。在进行测量时,可将仪器测站设在距离被扫描区域[m,M]区间范围,则仪器在岩石测距范围内,同时因仪器测距超出对应植被最大测距,仪器可获得岩石的反射激光脉冲,但无法获得植被的反射脉冲,植被无法被测得,进而避免植被点云数据,原理如图9所示。

图9 测距法减少植被噪声点原理示意

同时,也可以利用岩石和植被波谱曲线差异来指导扫描仪波长选择,进而减少植被噪声。通过岩石和植被的波谱曲线可以发现,波谱在一些特定的区间时,植被反射率相较岩石反射率明显偏低,当选择该波段内的激光扫描仪进行危岩落石进行测量时,可大大提高岩石的测量距离,危岩点云将得以最大程度获取,而由于植被反射率明显较小,其最大测距值较小,在较远的测站测量时,大量植被反射波无法被仪器测得,植被点云被抑制,噪声减少。

4.2 实例应用

成贵铁路威信至毕节段灰岩和厚层砂岩分布广泛,区内危岩落石发育,是良好的危岩落石勘察测量试验场地,本次选取5个工点(6个测量点)进行分析,测量仪器为Leica C10三维激光扫描仪。

根据野外测量点布设和后期数据处理,得到各工点位置下的危岩落石三维点云图像,各工点设站距离和扫描效果如表4所示。由表4可知,当测距小于100m时,尽管危岩点云效果较好,但表面植被噪声较大,去除比较困难;当点云与测站距离为120～180m,植被点云明显减少,岩体点云分辨率可以辨别危岩落石,部分植被噪声得到抑制。随着距离增加,尽管植被噪声减少,但是岩体点云质量也在下降,获得危岩落石效果较差(如图10所示);当距离大于230m时,危岩落石无法被测量。

图10 坪上隧道出口测站1处点云

表4 试验工点测量点云效果

根据野外试验测量的点云质量结果,当进行野外危岩落石测量时,Leica C10扫描仪宜在危岩落石分布区外120～150m范围设站,这样既可以保障危岩落石结构分辨率,又能局部抑制植被的点云噪音,为后期数据处理提供较好的基础。该测站距离约135m,是较为理想的设站范围。

5 结论

(1)三维激光扫描仪对地物的测量距离与仪器波长、被测物波谱特征等有关,不同岩石、植被具有不同的波普曲线,三维激光扫描仪对不同岩石和植被测距也不同,通过野外被测对象的波普分析可以得到不同仪器对不同地物的最大测距。

(2)测距曲线可通过幂函数表征,通过拟合获得三维激光扫描仪“反射率-最大测距”曲线,利用该曲线计算得获得该扫描仪对不同岩石和植被的最大测距,表明该仪器对岩石的平均最大测距比植被大,适用于边坡或陡崖勘察。

(3)通过“测距减噪”方法,可以局部减少危岩体表面植被噪声,为后期模型建立提供较好的原始点云数据,测距分析认为Leica C10扫描仪的测站设立位置宜在距被测陡崖135m处。