三維雷射掃描技術在地質災害調查監測中的應用

2020-10-05 陝西地礦科技楊為先

雷射測量技術簡介

Laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫，直接翻譯過來就是光的受激輻射放大的意思。

其主要雷射的特點有：1 同相、單色、方向性好 ；2 雷射光束的波長較短,大氣對它的吸收和散射作用較強，大氣穿透能力較差,大氣中雨滴、塵埃、霧、霾等對雷射的幹擾作用大；3 雷射光束具有較高的「透過率」。

雷射的地形測量原理和側視雷達一樣，是一種主動式遙感系統。這一技術包括使用雷射脈衝定向照射目標並測量脈衝的往返時間，通過處理每個發射的脈衝經過目標反射後返回到傳感器的時間，可以計算出傳感器到地面或者其他目標之間的距離。


雷射的地形測量原理

簡單地說，雷射掃描技術的測量原理是基於角度和距離測量的幾何數據獲取的方法，其過程是：從傳感器上發射的雷射信號被目標反射後，被雷射掃描系統上的接收單元接收，根據發射和接收之間的時間差，可以計算出傳感器與目標之間的距離，依次掃描被測區域，快速獲得地面或者其他景觀的三維坐標和反射光強。


空中掃描

三維雷射雷達掃描系統具有以下四個特點：

多–大量實際測量所獲得雷射點數據有利提高產品精度，獲得更多樣、全面的數據成果，方便綜合利用生成多種專題圖；

快–全數碼化影像，直接進入計算機系統處理，將常規航攝中大量內、外業工作轉移到航攝數據採集過程中，提高效率，縮短工期；

好–多重反射成果可以分離植被信息，獲得真實裸地DEM數據，方便以後使用包括衛星影像在內的數據進行快速更新，成果能夠直接應用於多種GIS系統；

省–全數位化成果，大量工作由計算機自動處理完成，省工省力，大量外業工作前移至航攝階段，節省時間。

地質災害及環境監測

關於地質災害及地質災害的監測：

對於已發生的災害可以及時和快速發現和定位，有利於成因和原因分析，最終評價地質災害的危害和損失，從而提出預防的措施。


危險性預測

對於未發生的災害可以進行預報，融合各類信息進行空間分析，儘可能準確定位，進行地質災害危險性分析，及時和儘可能準確預報，提出儘可能有效的預防措施。


橋梁隧道監測

環境地學及地質災害問題突出特徵是其信息的多源性﹑模糊性﹑非確定性和隨機性。所有這些，都為環境地學的信息處理帶來了極大的困難。

傳統的方法與手段，要麼無能為力，要麼因簡化而缺失大量的信息，導致成果可靠程度的降低。更為不利的是，傳統的處理方法其成果表達缺乏直觀性和可操作性。因此，建立符合地學信息客觀規律的地質環境管理與災害評價系統成為面向21世紀環境地學研究的前沿課題。


昆陽磷礦露天監測


地面沉降及裂縫監測

實例介紹

基於地面三維雷射掃描技術的危巖體監測

以重慶武隆-南川地區典型危巖體為研究目標，構建監測區域三維地形模型；選擇1-2個危巖體作為重點監測對象，通過多期數據採集和數據處理，研究監測目標表面變化；通過三維雷射掃描試驗，開展三維雷射掃描監測應用研究與示範。

研究背景及研究區域概況

1 監測區域概況：

雞冠嶺位於重慶武隆烏江左岸，1994年4月30日雞冠嶺發生崩塌，體積400餘萬m3，崩塌導致15人死亡，21人受傷，沉船5艘，導致烏江斷航數月，直接經濟損失9887萬元 。

發生巖崩後，在雞冠嶺的臨江面崩塌堆積體後緣陡壁上形成了新的危巖體。新形成的危巖體主要分布於崩塌體的北西側，原變電房一帶，沿北東—南西方向呈脊嶺分布。分布標高540 m-740 m，長300餘米，寬70餘米，分布面積約2.1×104 m2，方量約為45.06×104 m3。

這段危巖的南東面地形很陡，巖體也較為破碎，是本段危巖集中發育地帶。特別是此段危巖下部巖溶極其發育，對上部巖體的穩定性極為不利。

2000年10月18日以來，雞冠嶺區域地下出現了不明聲響並伴有強烈振動，一旦發生危巖體崩塌和崩塌體失穩、滑移，就將嚴重威脅烏江沿線的白馬、羊角、土坎、碑埡、巷口和涪陵區的廣大人民群眾的生命財產安全，危及319國道烏江邊灘隧道安全，影響烏江水運，並直接或間接影響到渝懷鐵路的施工及今後的運營。

雞冠嶺地形

2 研究背景：

危巖體監測是災害監測的重要內容，如羊角鎮採用GPS技術進行了周期性監測，甑子巖採用了全站儀和滑坡預警伸縮儀等進行了危巖體穩定性或裂縫寬度變化監測。由於雞冠嶺危巖體坡度大，基本無法在危巖體表面上設置GPS監測站；同時，由於危巖體區域不大、坡度大，且危巖體位移和滑動不僅局限於垂直方向，因此，採用InSAR技術進行形變監測也有一定的限制。

因此對高坡度危巖體進行監測需要探討其他方法，基於地面三維雷射掃描技術的高坡度危巖體監測有一定的可行性。

3 研究方法及技術路線

(1)設置野外觀測站

三維雷射掃描儀

(2)野外三維雷射數據採集

(3)三維雷射掃描點雲數據處理

a 多期點雲數據配準

多期點雲配準是指將不同時間所獲取的點雲數據轉換至同一坐標系下的過程。多期點雲配準是進行變形分析前一個非常重要的步驟。針對研究內容和目標的特殊性，項目提出了兩種配準方法，第一是使用ICP算法進行配準；第二是採用曲面擬合的方法，建立兩期觀測數據空間擬合曲面，進而完成點雲數據的配準。

誤差校正

b TLS點雲數據系統誤差分析及消除.

點雲處理

c 點雲數據濾波

數據建模

數字表面模型

d 點雲數據建模及地形構建

危巖表面監測過程

e 危巖體表面分析及變化監測

危巖體表面監測結果

f 初步結論：

通過對TLS技術數據處理、系統誤差分析及在危巖體監測中的應用研究，探討了不同的點雲配準方法，並在此基礎上，對TLS的系統誤差（測距誤差和測角誤差）進行了改正。

通過危巖體多期數據的分析，將TLS技術用於危巖體表面紋理、裂縫、變化分析是可行的。進一步，將對危巖體表面進行多空間特徵的分析和研究，完善監測技術流程，優化表面變化分析模型，提出可行的監測技術示範。

文章來源於：地海探心

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