大型滑坡体三维激光扫描模型工作技术
发布日期:2016年06月30日 10:35   发布者:北京富斯德科技   浏览次数:3212

 昭通鲁甸 8.03 地震灾区

1、工作任务概述

        8 月 3 日下午,云南省昭通市鲁甸县发生 6.5 级地震后,云南省测绘地理信息部门迅速启动测绘应急响应,按照测绘应急保障预案,紧急连夜赶制灾前灾后卫星影像图、行政区划图等图件。充分发挥测绘地理信息应急保障功能,全力以赴为抗震救灾提供最及时、最有效的测绘地理信息应急保障服务。按照局指挥部统筹安排,云南省测绘工程院携带三维激光扫描仪奔赴灾区,将对大型的滑坡体进行三维激光扫描,构建灾后地表模型,分析受灾区域地质地貌变化情况,统计滑坡体表面积和体积。为抢险救灾提供科学、直观的决策依据。

2、工作内容情况

        2.1 完成工作量情况

        8 月 13 日局指挥部人员携工程院技术人员奔赴这次地震重灾区甘家寨(整个村被埋在滑坡底下,有 20 多户 50 余人死亡),由于滑坡体冲断的道路还未修通,只能在滑坡体对面山上光明村找视线较好的三个点架设仪器进行扫描。通过三维激光扫描获取高精度地表点云数据和影像,得到真三维影像后,与震前数字高程模型进行比对,制作滑坡体模型,计算出甘家寨大型滑坡体面积为 703040 平方米,体积为 817263 立方米。

        8 月 14 日一早在刘副局长带队下赶赴震区最大的红石岩堰塞湖对堰塞体探测,通过车载、乘坐冲锋舟、步行等方式到达了堰塞湖的主体位置。一路上冒着危险,在余震频发的临时道路上和堰塞体主体上进行设站扫描,后期制作滑坡体模型,与震前数字高程模型进行比对,计算出红石岩堰塞体高度 121 米(水面以上高度 54 米),堰塞湖水位较震前上涨 63米,堰塞体边缘至下游落石区域距离 806 米,滑坡体面积 1156074 平方米,滑坡体体积 12531803 立方米。王家坡滑坡体面积 614226 平方米,滑坡体体积 3395777 立方米。制作提供《甘家寨地质滑坡体三维激光扫描模型图》3 套(附图一),《红石岩堰塞湖、王家坡滑坡体三维激光扫描模型图》3 套(附图二);并录制三维景象应用视频和 PPT。

        2.2 仪器设备

        (1)设备简介:

        奥地利生产三维激光扫描成像仪 RIEGL VZ -1000;RIEGL 三维激光扫描成像系统拥有全波形回波技术(waveformdigitization) 和 实 时 全 波 形 数 字 化 处 理 和 分 析 技 术(on-linewaveform analysis)。每秒可发射高达 300,000 点的纤细激光束,提供高达 0.0005°的角分辨率(优于 1.8″全站仪)。高精度高速激光测距可同时探测到多重乃至无穷多重目标的细节信息,是其他传统产品单次回波反映单一物体技术所无法比拟的,并且可以穿透植被,获取植被底层的地表数据(尤其是在植被覆盖度极高的云南山区,贵州,广西等地尤为明显)。除此以外多棱镜快速旋转扫描技术,能够产生线性、均匀分布行的扫描激光点云线。

        (2)总共扫描用时:

        外业数据采集累计用时 9 小时,其中激光工作时间仅 2 小时 20 分钟左右。

        (3)扫描站数:10 站

        (4)每站扫描时间:6 分钟---17 分钟

        (5)扫描点密度:中高密度,满足 500m 处激光点云分辨率为 10cm

        (6)选点定向扫描采用罗盘方位角定向。结合实际地形,选择合理的观测点。(选点要求:选点时确保两测站点之间尽可能通视,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)此方法优势在于准备工作时间较短,自由布设观测点,无需现场后视定向,同时辅助测量的设备较少,减少出勤人员,节省开支。

3、外业采集数据

        扫描距离:1500M 的测量半径

        扫描精度:毫米级测量精度

        激光发射频率:300,000 点/秒

        扫描视场范围:100° x 360°( 垂直 x 水平)

        连接:LAN / WLAN 数据接口,支持无线数据传输

        对人和动物眼睛安全的激光器: Laser Class1 一级安全激光


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图 1 甘家寨滑坡体三维扫描


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图 2 红石岩滑坡体三维扫描

4、内业数据处理

        内业数据处理采用标配的 Riscanpro 数据处理软件。用于控制扫描仪进行数据获取,可以提供包括全球坐标系拼接在内的四种全自动拼接模式,无需标靶拼接。特有的一键快速剔除植被功能可以简单快速的得到整洁的地表数据,缩短内业处理时间提高工作效率。可导出多种点云数据格式,供给第三方软件进行二次开发利用。下图为处理数据对比:

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图 4  红石岩堰塞湖点云数据与实际场景

        相比其他软件有以下几点优势:

        (1)精细扫描保证物体细节特征

        (2)自动生成高分辨率的贴图纹理模型数据

        (3)定时定位、距离、面积、挖填方、体积的自动计算分析

        (4)实体核查,智能视图和特征点线面的提取保存

        (5)自动生成三维正射影像、数字高程图和等高线

5、成果输出

        数据拼接完成以后,通过软件一键式剔除植被后生成真三维立体模型。此项功能是三维激光扫描技术的强项,主要用于物体立体模型的建立(房屋、桥梁、城堡、厂区等)、考古与文物保护、工业设备计测、三维数字地面模型建立、三维城市漫游建立等。滑坡监测和确定滑坡区域:通过比较两次或多次扫描数据,从而进行分析和确定滑坡区域和对滑坡区域检测,达到减灾防灾和对灾害造成范围的确定。在此次应用中与震前 1:10000 DEM 数据进行比对,通过模型比对,可以精确监测物体和地形地貌的变化量,可以测量出滑坡体的面积、塌方体积、堰塞体的高度等震后数据。这是其他常规测量方法无法达到的。

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 图 5 红石岩堰塞湖真三维模型

6、滑坡体积量算

        以前期未滑坡模型为基准对象,以后期滑坡模型为参考对象。前后两期滑坡体模型叠加,以前期水位淹没线为基础建立公共投影面,基于投影面计算滑坡期间的土方量变化情况。

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图 6 滑坡区域变化分布图

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图 7 计算滑坡体体积


7、小结

        通过此次应用,可以看出三维激光扫描技术的最大的优点就是快捷、方便、准确、动态、实时、全数字化,具有高精度、测量方式灵活、不接触等特点,可以迅速获取对象物体的空间三维数据,进而建立其立体模型,以便对其模型进行数据处理、分析,或者为相应的数字化产品提供基础数据源。同传统的测量方式相比,其获取数据的特点和方式,弥补了传统测量方法的弊端。

        这次在抗震救灾的应用中还可以看出本次应用技术方法合理,数据精确,测量时间短,工作效率高,可以真实反映现实环境,实现精细化测绘,给当地各级部门提供了真实可靠的灾情数据。

 

        附图一:

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        附图二:

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