機(jī)載Lidar在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪中的應(yīng)用

機(jī)載Lidar在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪中的應(yīng)用摘要：機(jī)載Lidar是近些年研發(fā)而出的一種新型技術(shù)，可以對(duì)地面的數(shù)據(jù)在三維角度上進(jìn)行捕獲，機(jī)載Lidar屬于一種主動(dòng)形式的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)。機(jī)載Lidar在數(shù)據(jù)處理層面主要包含濾波、拼接、剔除噪聲、計(jì)算三維空間坐標(biāo)、確定行跡等諸多內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)載Lidar在算法、軟件、硬件層面都展開(kāi)了大范圍的研究，而且也在各個(gè)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，比如災(zāi)害調(diào)查、斷層調(diào)查、地形測(cè)量等。本文主要針對(duì)機(jī)載Lidar在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪工作中的應(yīng)用進(jìn)行分析，然后基于此，提出了一系列應(yīng)用措施，以供參考。關(guān)鍵詞：機(jī)載Lidar；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)急測(cè)繪；應(yīng)用前言：機(jī)載Lidar自身具備穿透性強(qiáng)、高效率、快速、高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用激光點(diǎn)云可以對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多樣性的采集，現(xiàn)階段已經(jīng)得到社會(huì)、學(xué)術(shù)各界的廣泛關(guān)注。地質(zhì)災(zāi)害期間采取傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式很難發(fā)現(xiàn)變化點(diǎn)，但在高分點(diǎn)云上呈現(xiàn)的通常都是地形的急劇轉(zhuǎn)變。所以，現(xiàn)階段在地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急測(cè)繪工作中，對(duì)機(jī)載Lidar的應(yīng)用進(jìn)行分析，不僅可以提升測(cè)繪工作的精準(zhǔn)程度，也有利于工作人員對(duì)于后續(xù)災(zāi)情進(jìn)行合理評(píng)估。1機(jī)載Lidar的工作原理機(jī)載Lidar的主要能源來(lái)源是，激光發(fā)射裝備所形成的一道較細(xì)、能量高的光子脈沖流，且散射率較低、頻譜較窄，能夠更好的傳播到較遠(yuǎn)的距離，而且可以精準(zhǔn)的針對(duì)所接觸的物體實(shí)行有效定位。機(jī)載Lidar可以記錄每個(gè)激光發(fā)射器，從發(fā)射一束激光到激光接觸到物體，從而在反射到激光接收機(jī)整個(gè)過(guò)程的一個(gè)具體時(shí)間，從而對(duì)地表和激光發(fā)射器相互之間的距離進(jìn)行有效測(cè)算，通常情況下，會(huì)應(yīng)用發(fā)射以及回收信號(hào)相互之間的相位差，來(lái)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際距離進(jìn)行有效測(cè)算。與此同時(shí)，機(jī)載GPS以及測(cè)區(qū)內(nèi)部的GPS基站，按照自身所接收的衛(wèi)星信號(hào)對(duì)其展開(kāi)差分，來(lái)明確飛機(jī)當(dāng)前的精準(zhǔn)區(qū)域，IMU可以對(duì)飛機(jī)在飛行時(shí)的姿態(tài)進(jìn)行有效記錄，對(duì)姿態(tài)、位置、時(shí)間三種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，經(jīng)過(guò)測(cè)算就可以獲取地面和物體的具體高程信息。此外，機(jī)載Lidar可以全天24小時(shí)工作，不會(huì)受到云層或者陰影的不利影響。2以機(jī)載Lidar為基礎(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪保障機(jī)載Lidar可以通過(guò)飛行的方式來(lái)捕獲最原始的數(shù)據(jù)，只需要在地面布設(shè)少數(shù)的控制點(diǎn)就可以直接產(chǎn)生DEM、DOM，相比較于傳統(tǒng)形式的攝影測(cè)量技術(shù)而言，機(jī)載Lidar可以讓經(jīng)濟(jì)成本、人力、時(shí)間等都得到極大程度的節(jié)約。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)展調(diào)查研究工作時(shí)，傳統(tǒng)意義上的光學(xué)衛(wèi)星遙感的調(diào)查技術(shù)，以及無(wú)人機(jī)低空形式的航拍遙感等諸多技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)都是地質(zhì)災(zāi)害工作人員在調(diào)查期間采取的一種主要措施，在調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害、評(píng)估災(zāi)后情況等諸多工作中，都擁有至關(guān)重要的作用。但以往傳統(tǒng)意義上所應(yīng)用的光學(xué)遙感技術(shù)，在對(duì)植被進(jìn)行捕獲時(shí)無(wú)法起到穿透的效果，而且傳統(tǒng)形式的測(cè)量數(shù)據(jù)，在幾何精度層面會(huì)受到地形地貌、天氣因素、傳感器種類(lèi)等諸多因素的影響，而且還存在生產(chǎn)成果比較落后、工期過(guò)長(zhǎng)等諸多情況，而機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)主要是應(yīng)用激光測(cè)距儀器，通過(guò)主動(dòng)的形式對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，就能夠?qū)χ脖黄鸬酱┩傅男Ч?，從而獲取真實(shí)的地表形態(tài)，之后應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式實(shí)行去噪以及濾波，就可以有效消除植被層中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而建立快速、高效、高精度的DEM。一部分研究人員發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急測(cè)繪應(yīng)用工作中，相比較于傳統(tǒng)形式的航空攝影測(cè)量技術(shù)而言，機(jī)載Lidar在精準(zhǔn)度、作業(yè)效率層面都擁有更大的優(yōu)勢(shì)［1］。3地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急測(cè)繪工作中機(jī)載Lidar的具體應(yīng)用3.1監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害中的山體裂縫山體裂縫是山體滑坡出現(xiàn)的一個(gè)明顯征兆，滑坡在出現(xiàn)之前通常情況下會(huì)在山體出現(xiàn)橫向或者縱向的反射性裂縫，表示滑坡體在向前移動(dòng)期間受到推擠以及阻礙，而且已經(jīng)處于臨滑狀況。以往在對(duì)山地裂縫進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，通常情況下都是派遣工作人員到實(shí)地對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行勘察，工作人員通常情況下都需要翻山越嶺對(duì)山體裂縫進(jìn)行排查，才能夠捕獲山體裂縫的具體寬度、深度、長(zhǎng)度位置等一些參數(shù)，由此來(lái)確定裂縫導(dǎo)致坍塌出現(xiàn)的具體幾率，以及坍塌事故發(fā)生之后可能受到災(zāi)害影響的地理范圍。但是，此類(lèi)地區(qū)由于地勢(shì)陡峭險(xiǎn)峻，所以危險(xiǎn)程度極高，而且專(zhuān)業(yè)人員在測(cè)區(qū)進(jìn)行勘探時(shí)，無(wú)法針對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行全方位的勘探，對(duì)于一些山勢(shì)較為陡峭的區(qū)域，工作人員無(wú)法進(jìn)入實(shí)地對(duì)其進(jìn)行勘探，而且此種類(lèi)型地區(qū)通常情況下會(huì)處在海拔200~1300米的范圍內(nèi)地勢(shì)極為險(xiǎn)峻，危險(xiǎn)程度極高，如果應(yīng)用傳統(tǒng)形式來(lái)捕獲信息，存在一定程度上的局限性。由此，目前應(yīng)用機(jī)載Lidar制作而成的地理信息數(shù)字成果，在數(shù)學(xué)層面具備極高的精準(zhǔn)程度，可以更好的滿(mǎn)足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作的精準(zhǔn)度要求，在監(jiān)測(cè)山地裂縫災(zāi)害工作中可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用，對(duì)于災(zāi)害的預(yù)警和預(yù)防也能起到極其重要的意義。3.2滑坡體的監(jiān)測(cè)滑坡體指的是受到雨水浸泡、人工砌坡、地震、地下水、河流沖刷等諸多因素的影響，山體斜坡上的巖石或者土體會(huì)在重力的作用下，沿著軟弱帶形成剪切位移，導(dǎo)致整體或者分散的順著滑坡向下移動(dòng)的自然地理現(xiàn)象。通常意義來(lái)說(shuō)，滑坡所在地的山體海拔位置越高，下滑時(shí)移動(dòng)的速度也就越快，滑坡體出現(xiàn)的體積也就更大，滑坡體所裹挾的物質(zhì)在移動(dòng)時(shí)距離范圍也就更遠(yuǎn)，所以會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備造成極大程度的傷害，如若情節(jié)嚴(yán)重，對(duì)于公眾生命財(cái)產(chǎn)也會(huì)造成極其嚴(yán)重的損失。有關(guān)工作人員以監(jiān)測(cè)所獲取的點(diǎn)源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了一種以三角形生長(zhǎng)算法為基礎(chǔ)的滑坡體自動(dòng)提取技術(shù)。主要思路如下：點(diǎn)云構(gòu)TIN選擇應(yīng)用遞歸生長(zhǎng)算法，亦或是基本三角形的生長(zhǎng)算法。三角形在形成過(guò)程中，除卻根據(jù)基本算法形成三角形之外，還可以添加高程差值評(píng)估。確定科學(xué)合理的閾值，如果高程信息的變化高于指定閾值，就需要立刻停止此方向的三角形構(gòu)TIN，在其他方向上讓三角形持續(xù)生成。一直按照點(diǎn)源的密度和監(jiān)測(cè)區(qū)域地表覆蓋地形坡度，地貌特征等具體狀況來(lái)設(shè)定。按照經(jīng)驗(yàn)通常情況下，都是將地形坡度2~3倍的高差指定為閾值。按照上述方法構(gòu)建的TIN，在未出現(xiàn)滑坡的局部地帶，因?yàn)楦叱套兓哂谐掷m(xù)性，所以會(huì)形成一個(gè)以三角形所組成的三維面片。但如若出現(xiàn)滑坡，受到高程差值的制約，就會(huì)形成兩個(gè)三位面片，而且在滑坡區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較為顯著的分離現(xiàn)象，由此就可以自動(dòng)評(píng)估出滑坡體。對(duì)山體裂縫開(kāi)展的監(jiān)測(cè)工作，顧名思義也就是對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于滑坡在運(yùn)動(dòng)時(shí)邊緣會(huì)出現(xiàn)一些裂縫，所以滑坡監(jiān)測(cè)以及裂縫監(jiān)測(cè)二者可以同步開(kāi)展⑵。4地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急測(cè)繪工作中機(jī)載Lidar的應(yīng)用案例4.1機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)的捕獲以及處理4.1.1機(jī)載Lidar的捕獲以四川省茂縣新磨村在發(fā)生山體滑坡之后，采取的應(yīng)急測(cè)繪保障工作為具體示例。綜合思考該地區(qū)飛行安全、氣象、滑坡地貌等諸多因素，在應(yīng)急測(cè)繪期間應(yīng)用大黃蜂的4旋翼無(wú)人機(jī)，并配備AS-1300HL型號(hào)的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效捕獲。AS-1300HL屬于一套多平臺(tái)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠在車(chē)輛載體、飛行載體上進(jìn)行應(yīng)用，并對(duì)大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及高清影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，掃描區(qū)域可以達(dá)到1350米。機(jī)載Lidar在原始層面所捕獲的有關(guān)數(shù)據(jù)信息如下：共計(jì)飛行架次為兩次。預(yù)處理工作完成之后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量為4.44GB。點(diǎn)云覆蓋總面積為1.2km2(0.6+0.7)，總的重疊區(qū)域?yàn)?.1km2。影像數(shù)據(jù)總量一共為898張，第1架次總量是414張，第2架次總量為484張，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總量為27.1G。影像覆蓋總面積為1.6km2。4.1.2機(jī)載Lidar的數(shù)據(jù)處理首先，應(yīng)用InertialExplorer型號(hào)的8.7軟件，與INS數(shù)據(jù)、機(jī)載雷達(dá)的GNSS、解算地面的GNSS基站等為基礎(chǔ)，共同產(chǎn)生精度較高的POS軌跡成果。其次，使用CoPre數(shù)據(jù)的預(yù)處理軟件，對(duì)處理完成之后的POS軌跡，以及原始RXP的點(diǎn)云格式展開(kāi)處理，經(jīng)過(guò)投影改正之后，形成擁有絕對(duì)坐標(biāo)的LAS格式的點(diǎn)云成果，而且可以使用原始影像中的數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色。然后，應(yīng)用CoProcess數(shù)據(jù)的后處理軟件，針對(duì)點(diǎn)云展開(kāi)去噪和濾波處理，形成精度較高的DEM成果。最后，使用PhotoScan影像處理軟件，以原始影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理為基礎(chǔ)產(chǎn)生DOM成果。4.2應(yīng)急測(cè)繪工作的流程以及工作效率分析地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)通常情況下地形較為復(fù)雜，而且交通不夠便利，相對(duì)高差比較大，如果應(yīng)用傳統(tǒng)形式的攝影測(cè)量技術(shù)，在準(zhǔn)備航空攝影分析資料、收集資料、飛行等需要一天的時(shí)間，相片的測(cè)量、調(diào)繪也需要一天時(shí)間，制作DEM、采集以及編輯內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)、空三加密等需要一天時(shí)間。所以，采取傳統(tǒng)形式的攝影測(cè)量技術(shù)，大概需要耗費(fèi)三天左右的時(shí)間，但是機(jī)載Lidar僅僅需要三個(gè)小時(shí)就可以完成，能夠讓工作效率得到極大程度上的提升。4.3去除植被的點(diǎn)云圖機(jī)載Lidar中的激光測(cè)距儀器，可以對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)射，在穿透植被之后可以獲取真實(shí)的地標(biāo)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪以及濾波，在消除植被點(diǎn)云層的所有數(shù)據(jù)之后，可以迅速建立精度較高的DEM，如圖4-1所示為植被點(diǎn)云消除前后的點(diǎn)云圖比對(duì)，二者比對(duì)分析之后，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)載Lidar可以有效消除植被點(diǎn)云，更好的還原地表的真實(shí)信息。1?|M蹌心除的的小云圈歸祖廈點(diǎn)云去除后的點(diǎn)云圖圖4-1植被點(diǎn)云消除前后的點(diǎn)云圖比對(duì)4.4精度分析在起始區(qū)域由于剛剛鎖定衛(wèi)星，所以會(huì)出現(xiàn)較大的跳變，但是伴隨系統(tǒng)靜止以及初始化全部完成之后，波動(dòng)曲線(xiàn)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，而且精度可以維持在一厘米的范圍。激光雷達(dá)測(cè)量所獲取的結(jié)果精準(zhǔn)程度較高，且數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度高就可以與其他測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)迅速成圖，有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生之后的評(píng)估工作。4.5DOM成果使用PhotoScan軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，分辨率為0.1米，可以直觀、清晰的描繪出災(zāi)區(qū)的實(shí)際狀況，更好的滿(mǎn)足應(yīng)急測(cè)繪保障，在地理空間、服務(wù)信息層面的需求[3]結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，機(jī)載Lidar在測(cè)量期間，結(jié)果精準(zhǔn)度極高，捕獲數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高，可以與其他類(lèi)型的測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)迅速成圖，有利于災(zāi)害事故發(fā)生之后的災(zāi)情評(píng)估工作。而且，機(jī)載Lidar可以直接穿透植被，捕獲地表的真實(shí)形態(tài)，在植被茂密位置發(fā)生山體滑坡之后，對(duì)災(zāi)后應(yīng)急測(cè)繪可以起到有效的保障工作，同時(shí)還可以將機(jī)載Lidar用在隱蔽滑坡隱患的提前預(yù)估和早期識(shí)別層面。另外，相比較于傳