三维激光扫描仪应用于地灾点地形图测绘生产设计
发布日期:2016年06月30日 14:13   发布者:北京富斯德科技   浏览次数:6037

1.目的及任务

1.1目的

        1)通过3D三维静态扫描仪地形图测量对该区域进行充分的调查研究、评价、估算,对项目建设之必要性、经济合理性、技术可行性、实施可能性等方面进行综合性研究论证,从而设计出一套3D激光扫描仪应用于地灾点地形图测绘生产的工程方案。能够用有关的理论指导作业实践,做到新新技术产品与实践相统一,提高灾害分析解决问题的能力。

        2)熟悉并掌握3D激光扫描仪工作的全过程,包括编写技术设计、选点、外业观测、数据检核与平差计算、编写技术总结等部分。通过完 成测量实际任务的训练,掌握独立从事3D激光扫描仪测绘工作的计划、组织与管理能力。

1.2 任务

        按照提供的有关资料,进行1:2000地形图的测绘。遵照国家颁布的《工程测量规范》进行1:2000地形图测量布设。成果要求提供一套数字化地形图文件。

2.测区概况

        文家沟村隶属于大井镇蚂蟥塘行政村,属于山区。位于大井镇北边 ,距离村委会11公里,距离镇政府20公里。国土面积0.8平方公里 ,海拔1800米,年平均气温14.3℃,年降水量960毫米,适宜种植玉米等农作物。有耕地66亩,其中人均耕地0.56亩;有林地706亩。

        2010年8月13日四川绵竹市清平乡文家沟暴发特大规模泥石流灾害(简称"8.13"特大泥石流)。在野外调查的基础上,分析了此次泥石流灾害的特征,并从其形成条件入手,探讨了此次灾害的成因和未来发展趋势。文家沟流域在2010年8月12日16时至13日04时的降雨量达227mm,暴雨形成强大洪水冲刷流域内在地震期间形成的 滑坡-碎屑流堆积体,并形成高容重粘性泥石流。泥石流依次冲毁沟内19座谷坊和1座拦挡坝, 冲出总量达 429.3×104m3,完全堵断绵远河,形成长约1650m、宽约420m、高约12m的堰塞坝,堰塞湖回水长1.5km。泥石流共造成6人死亡或失踪,379间房屋被冲毁掩埋,汉(旺)清(平)公路中断,2座桥梁被毁。研究表明,松散物质的极大丰富和堵溃是导致"8.13"特大泥石流规模巨大的主要原因;文家沟在短期内泥石流仍会频发,但规模要比"8.13"泥石流小。

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图1 平乡文家沟泥石流灾害照片

3.拟投入设备

3.1 RIEGL静态激光扫描仪 VZ-1000

型号

参数

VZ-1000

发布时间

2010年

扫描仪类型

脉冲式,近红外1550nm

用户界面

连接笔记本电脑控制

数据传输

通过以太网网线传输到电脑

数据储存

机身内置32G存储或者直接笔记本存储

激光发射频率

300,000点/秒

厂家声称的射程

1.5m-1400m

1400m@90%反射率

在国内用户实际测量到的射程

用户测试在1450m处,激光点云仍然分布均匀,数据可用

精度:≤ 10mm

(距离≤ 100m)

扫描精度

在100米距离内

8mm(绝对)

5mm(重复)

扫描速度

3~120线/秒(垂直)

扫描角度

0°~100°垂直

0°~360°水平

角扫描递增度

0.288° 到0.0024°

倾斜扫描

搭配云台可以实现垂直角度的360度扫描

角度分辨率

0.0005°(垂直)

0.0005°(水平)

安全激光类型

1级(对人体无害)

激光发散度

0.25mard

相机

外置NikonD300S与D700等全画幅专业单反相机,可以更换不同焦距镜头,实现远距离的高分辨率纹理采集。当采用20mm镜头时,全景扫描(7张照片拼接)像素为:≥ 8000万像素

尺寸

308mm * 200mm

工作温度(℃)

0~+40(工作)

-10~+50(储存)

实际工作可以在-10 至+50

采取保暖措施可以长时间暴露在低温环境下工作

重量

9.8kg (7毫米厚的铝合金机身)

防水防尘

IP64

电池

外挂可再充镍锰氢电池(6 小时)或汽车电瓶或自行车电池

电流

12-28V   DC

补偿器

内置倾斜补偿器

水准器

外置基座水准气泡

后处理软件(标配)

扫描仪控制

点云浏览、导出

测站拼接、平差

三维建模

纹理映射

等高线生成

坡面线

体积计算

移动面比较

CAD   软件互换数据

摄影测量相机标定

自由定向影像

过滤植被

二维轮廓投影

正射影像制作

应用领域

可以应用于各种行业,如文物考古、滑坡监测、三维建模、岩土工程、隧道测量、地形测量、矿山测量、土方量计算、地质灾害扫描等

表 1

        对本次清平乡文家沟大面积泥石流滑坡的地形点测绘,我们将选择采用RIEGL VZ-1000激光扫描仪。三维激光扫描成像系统是RIEGL公司在2008年10月所推出的划时代的激光扫描仪新产品,她也是世界上第一款全数字化的三维激光扫描仪。它使用纤细的近红外线激光束,采用非接触式快速获取数据的脉冲扫描机制原理,以无与伦比的高速和激光点云密度为用户提供令人惊叹的数据和前所未有的精度和细节。

        以下突出优点足以能够胜任本次文家沟1:2000地形测绘:

        (1)最高扫描速度(300,000点/秒),再加上多达10次以上的回波,每秒可接收到的激光点高达150万以上。

        (2)最短的扫描时间(全景360度):8秒。对于大多数的应用,扫描速度仅需 47 秒。

        (3)最小的角分辨率:0.0005度(=1.8″)。在10米的距离内,激光点密度可达0.1mm。

        (4)最高精度:2 mm(在1.5米到320米距离内,由欧洲最富盛名的矿业大学德国的Freiburg大学进行的严格测试所得)。

        (5)最轻的三维激光扫描仪:9.8公斤(包括电池)。

        (6)内置 GPS,可以进行动态的移动测量(汽车、火车、轮船等载体)。

        (7)独特的多回波功能可以实现植被自动去除,对于植被茂密的地区测量这是首先考虑的。

        (8)扫描半径1400m适合中长远距离的扫描。

3.2 GPS 全球定位接收机一台

3.3 笔记本电脑一台

3.4 越野车一辆

3.5 测量三脚架一副、卷尺一把

4.处理软件

        1)静态扫描仪数据获取软件Riscanpro软件。

        2)射影像生成软件JRC、数字线画图南方CASS软件

5.人员参与

        北京富斯德科技有限公司李成龙、陈力

6.外业工作流程

        经过实地踏勘,本测区位于山地、测区内山地广布、丘谷之间地势起伏延绵,给测绘工作带来了一定的困难。为了保证生产质量、施工进度及后继工程服务,首先组织专业技术小组进行踏勘、搜集资料、编写设计书,严格按质量管理体系操作运行。

6.1实地踏勘选点(外业控制点布设)

        结合实际,选择合理的控制点。(选点要求:选点时确保两点之间尽可能通视,有一定的公共区域;选择地理位置较高视野广阔的点获取的有效数据也就越多)本次重点测量区域选点为scanpos02与scanpos03 如下图。

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图2.文家沟扫描顶视图

6.2数据采集

        观测作业要求:每站采集数据前,作业员应量取设备仪器高;观测员在作业期间不得擅自离开测站,并应防止仪器受震动和被移动, 防止人和其它物体靠近仪器、以免摔坏扫描仪;测区范围内禁止出现 高强度反射物体(如棱镜等)以免损害激光头;在观测过程中应保证 工作站正常工作,数据记录正确,每天观测结束后,应及时将数据输 出到计算机硬、软盘上加以备份,确保观测数据不会丢失。

        ①调试相机。根据测量环境的光亮成度来调节标配的外挂单反相机的 取光效果,以便获取更加真实的影像数据。此次扫描工作正处十月中旬,入冬的四川气候条件湿润,山间雨雾较多,所以单张照片拍照曝光时长长一点好。

        ②扫描仪架设于踏勘的控制点上,对中整平,确保架设稳妥后开机工作。

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图3.VZ-1000 静态激光扫描仪

        ③接通电源→连接工作站→新建项目→开始扫描→搬站站点:

        设置扫描参数,首先大概估测扫描站点到关注区域的距离,从而来设置扫描模式。由于滑坡面积较大,设备无法递进,决定了本次测 量的模式为1200m的远距离扫描模式,这样便于获取离测站点较远 的数据。同时勾选影像获取,打开姿态评估功能键(记录反北方向角)。每站扫描用时:每站扫描时长约为8分钟左右,扫描时间的长短取决于两个方面:第一,设置的点密集程度,点云密集比点云稀疏的地方所用扫描时间较长(本次扫描1200m的地方点云密度为10cm,对于1:2000的测量已经足够了)。第二,设置的扫描距离长远,扫描越远的地方比扫描较近的地方所用时间较长(本次扫描距离模式为1200m长远距离)。

        ④GPS—RTK获取控制点大地坐标值通过GPS全球定位获取控制点大地坐标值。

7.内业数据处理

7.1 多站点调整

        Riscanpro软件多站点调整功能,可以把粗拼接的两个面进行一个精细的拟合,达到理想平差的效果。

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图4 .多站点调整

7.2 植被过滤

        设备采用代表激光扫描仪发展方向的全波形数字化及实时处理技术,具有独特的多回波功能,使得激光可以更多地穿透植被,获取更多的地面点数据,配套软件RiScan Pro对多回波数据可以实现一键过滤植被的功能,使得内业处理更加简单高效。

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图5 .赋带彩色纹理点云

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图6 .一键剔除植被,保留有效地面点数据

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图7   过滤植被后的地表数据 

7.3 三角网

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图8  文家沟滑坡三角网图

7.4生成等高线

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图9  2m等高线生成图

 7.5生成DEM模型

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图10  DEM模型图

JRC软件计算体积后,可以直接输出报表

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7.6 线画图

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图12  南方 CASS 线画图

8 内外业时间比

        外业采集时间:2012年10月09日十点半于成都新都区成都第三勘察院出发,行车两小时到达清平乡文家沟灾害滑坡测区。外业控制选点一个半小时,数据采集两小时,外业总共用时三个半小时。内业数据处理:2012年10月13日至15日数据处理,成果输出。内业数据处理用时三天。

        综合比较:采用RIEGL VZ-1000静态三维激光扫描仪测绘文家沟1:2000大型滑坡项目,从外业数据采集到内业数据处理及成果输出都比传统测绘方法优越。

        优点一:数据采集时间短

        传统的测绘方法需要投入大量的人力资源用于滑坡地形测绘,半个多月的外业数据采集过程制约了救灾工程的进度,从而延长了下一步救灾计划的实施,很可能会再次发生灾害,造成更大的经济损失及人员伤亡。激光扫描仪的应用有效的节省了大量的人力、物力、财力的投入,大大缩短了外业工作时间,节省了项目经费的支出,而且高精度的测绘能给灾害应急提供更加准确的数据成果。

        优点二:内业数据处理快

        强大的后处理软件能快速完成数据拼接、植被剔除、等高线生成、DEM成图等。在紧迫的救灾时间内,为救灾工程队提供高精度的数据成果,制定出一系列救灾应急方案。时间就是生命,一个好的方案策划是建立在一份完整的成果之上。