三維激光掃描儀在地質災害調查監測中的應用_解決方案_華測導航-華測導航

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      三維激光掃描儀在地質災害調查監測中的應用
      隨著我國經濟的蓬勃發展、綜合國力的不斷提升,基礎工程建設全面展開,水利水電工程、高速公路、鐵路、橋梁、隧道工程進入了一個迅猛的發展時期,由此引發的一系列工程地質問題也日益突出,工程地質勘察工作凸現出任務重、時間緊、難度高等特點。
      在工程建設期間,面對快速開挖形成的高陡邊坡,也必須很快完成相關的地質編錄工作,而這不僅需要大量的人力投入,而且影響施工進度并帶來作業人員的安全隱患問題;還有如何提高調查工作的效率和精度等。所有這些,都需要在高邊坡地質調查工作中引進快速、高效,且對地形條件有很強適宜性的調查技術。
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      系統特點
      1.非接觸性。
      傳統的單點式監測中監測的有效性依賴于監測點的設置,一旦監測點遭到破壞將影響到最終結果,而三維激光掃描技術在不設置監測點也無需反射鏡,在不接觸目標表面的情況下,可獲得三維坐標信息,它的這一特點解決了危險區域、柔性目標的數據采集,完全真實可靠。

      2.高速度、高精度、高密度。
      三維激光掃描技術采集數據速度非常快,可達幾十萬點/秒,大大提高了大面積災害體的空間信息獲取速率。同時采用點陣和格網的數據采集方式,采樣點分布比較均勻,具有較高的分辨率。具備的激光束全自動距離適應聚焦功能,提高了點云數據的均勻精度,也可獲取高密度、高精度、分布均勻的災害體點云數據。

      3.實時、動態、主動性。
      三維激光掃描技術可全天候實時作業,不需要外部光源,主動發射信號,通過探測回波信號得到災害體信息。這一特點使其在面對突發性地質災害時可迅速響應,高效作業,不受時空約束和間限制,可全候作業能及測量物體表面的三維信息,這些特征使得該技術可用于自動化監控行列。

      4.穿透性。
      由于三維激光掃描的采樣間距比較小、采樣密度比較大,當災害體表面存在不太濃密的植被覆蓋時,仍有一部分激光能夠到達災害體表面,經過有效的點云去噪,可獲取災害體表面信息。

      5.數字化、自動化。
      三維激光掃描技術采集的數據是數字坐標信號,它具有全數字化的特征,可靠性好,自動化程度高,易于數據的后期處理、格式轉換及數據輸出。

      6.能與GPS系統、外置數碼相機系統組合。
      擴展了三維激光掃描技術的使用范圍,使獲取的地表信息也更準確、完整。使用外置的數碼相機,能夠采集物體表面的彩色,更加全面、真實地反映目標信息。結合GNSS定位技術,更加廣泛的擴展了三維激光掃描技術的應用范圍,也提高了測量數據的準確性。
      解決方案

      一、設備概況

      Optech Polaris脈沖式長測程三維激光掃描儀,最高測程可達2000米,包含三維激光掃描儀及配套點云處理軟件。

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      Optech Polaris脈沖式長測程三維激光掃描儀


      1.精度高,POLARIS三維激光掃描儀的測量定位精度為3mm,可以達到一般測量精度要求。
      2.測距遠,2000m@80%反射率目標,250m@10%反射率目標。不管對于短距離及長距離的掃描,Polaris均能覆蓋。對于不同地質物體,可從各個角度進行完整掃描,不留死角。
      3.測量速度快,數據測量速率最高可達50萬點/秒,節省測量時間,快速的掃描速度加上強大的后處理軟件使您在短時間內達到預期目的。
      4.安全一級激光,即便在人多的情況下也可以進行測量,不會對測量作業人員及周邊群眾造成傷害。
      5.儀器具有IP64級防水防塵功能儀器適用不同作業環境,也可配合個人時間,合理安排工作,即便是在夜晚或濕潤天氣均可進行外業測量。
      6.強大易用的后處理軟件,POLARIS的后處理軟件ATLAScan具用強大的功能,并且簡單易于學習使用。

      7.主機內置雙500萬像素廣角數碼相機,掃描后,自動存儲該場景的數碼影像。可做為GIS分類的基礎信息。并可同時實現彩色點云的獲取。


      二、解決方案

      1、數據采集與預處理

      三維激光掃描儀通過對形變區域進行周期性掃描,對比不同期次的三維信息進行形變監測。一般情況下可將基于三維激光掃描儀的地質災害地面形變監測分為現場勘查、數據采集、成果輸出與分析比對3個主要步驟。
      (1)現場勘查
      根據監測區域概況、要求等進行現場勘查,確定采集設備及作業方式。區域概況包括位置、大小、形態等,同時排除可人為去除的干擾,減少人為誤差的引入。為了得到統一坐標系下的三維激光掃描數據成果,還需要埋設用于設站和定向的控制點。控制點應選在各點之間能夠相互通視且較穩固的地方。對于有條件布設監測點的區域在形變較為嚴重、突出的地方布設監測點。若采用基于標靶的點云拼接方式還需確定公共標靶個數和位置,原則上每3個公共標靶按照空間銳角三角形布置而且保證每兩個需要拼接的點云數據中包含至少3個不在同一直線上的公共標靶。


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      現場勘察

      (2)數據采集
      掃描站位置應選擇安全、穩定且通視情況良好的區域。采用無標靶拼接方式的掃描區域,應保證每兩個需要拼接的掃描區域間至少有40%的重疊度以及盡可能多的特征點,以滿足拼接要求以及成果精度。在選定的測站上架設掃描儀,調整好掃描儀方向和傾角,嚴格對中整平,并量取儀器高,連接好掃描儀、計算機和電源。進行多次定向,將自定義的掃描坐標系下的數據轉換到大地坐標系下。

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      數據采集

      (3)點云預處理
      點云數據進行粗差剔除、旋轉對齊、多視拼接等操作,若采用基于標靶的拼接方式,在重疊區域均勻地選取公共標靶,根據約束條件,計算整體拼接誤差,拼接誤差過大時應仔細檢查該點坐標的正確性,刪除誤差過大的公共標靶;若采用無標靶拼接方式,在重疊區域盡量選取特征點,以減小拼接誤差。數據處理時先要手工去除由災害體及周圍一些無關的雜草、樹木、建筑物、電桿等造成的無關點云噪聲點。去噪過程應遵循“少去除多視角”的去除方法,避免刪除真實的有效點云數據。再對手工去噪后的數據進行點云濾波,過濾其他隱含噪聲點且降低點云密度。點云濾波應選擇保持原始數據形態,地形改變量較小的方式,以減少對有用點云的剔除保證點云數據的精度。


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      點云數據



      2、數據分析與應用

      (1) 地形圖制作

      ① 通過設備自帶軟件進行預處理之后,導出通用的ASCII格式的XYZ坐標文件至數據后處理軟件中。

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      點云導入數據后處理軟件


      ② 由點云要素自動化生成TIN(不規則三角網)模型。


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      點云封裝模型


      ③ 由TIN模型轉換為柵格數據,得到DEM模型。

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       DEM模型

      ④ 生成等高線

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      等高線


      (2)變形位移分析

      通過點云可以對多期掃描數據進行對比,以其中一期掃描數據作為基準站,通過色譜圖的形式表現出后期數據的位移量,并對變形量進行統計分析。

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      位移變形色譜圖

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      變形量統計分析

      (3)方量變化計算

      在地質監測中,可能產生滑坡、泥石流、坍塌等災害的區域需要特別注意土方量的動態變化,對掃描所得的數據進行處理與分析,通過監測點的變形信息以及特定區域的土方量的變化進行分析,可預測地質災害的變形趨勢和未來量大。

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      兩期數據變形分析

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      兩期數據體積變化


      三、總結

      三維激光掃描技術具有很強的工程適用性,在巖土、地質工程、地質災害的調查中應用三維激光掃描技術具有重要的理論及現實意義,有著巨大的應用潛力。傳統的地質災害調查方法費時、費力并存在調查人員的人身安全問題,某些情況下還難以獲取令人滿意的結果。將三維激光掃描技術引入到巖土、地質工程領域,大大降低了調查人員的勞動強度,提高了工作效率,成果也更加翔實豐富。
      總而言之,對于實際的工程應用來講,將三維激光掃描技術與巖土、地質工程領域的調查方法相結合,并把該技術應用于工程實踐當中去,無論對于測繪還是工程領域都具有重要的里程碑意義。

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