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三维激光扫描技术在地质灾害调查监测中的应用

  • 2020-10-04 21:50:50
  • 来源:百家号:地海探心
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激光测量技术简介
Laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,直接翻译过来就是光的受激辐射放大的意思。
其主要激光的特点有:1 同相、单色、方向性好 ;2 激光光束的波长较短,大气对它的吸收和散射作用较强,大气穿透能力较差,大气中雨滴、尘埃、雾、霾等对激光的干扰作用大;3 激光光束具有较高的“透过率”。
激光的地形测量原理和侧视雷达一样,是一种主动式遥感系统。这一技术包括使用激光脉冲定向照射目标并测量脉冲的往返时间,通过处理每个发射的脉冲经过目标反射后返回到传感器的时间,可以计算出传感器到地面或者其他目标之间的距离。
激光的地形测量原理

简单地说,激光扫描技术的测量原理是基于角度和距离测量的几何数据获取的方法,其过程是:从传感器上发射的激光信号被目标反射后,被激光扫描系统上的接收单元接收,根据发射和接收之间的时间差,可以计算出传感器与目标之间的距离,依次扫描被测区域,快速获得地面或者其他景观的三维坐标和反射光强。
空中扫描
三维激光雷达扫描系统具有以下四个特点:
多–大量实际测量所获得激光点数据有利提高产品精度,获得更多样、全面的数据成果,方便综合利用生成多种专题图;
快–全数码化影像,直接进入计算机系统处理,将常规航摄中大量内、外业工作转移到航摄数据采集过程中,提高效率,缩短工期;
好–多重反射成果可以分离植被信息,获得真实裸地DEM数据,方便以后使用包括卫星影像在内的数据进行快速更新,成果能够直接应用于多种GIS系统;
省–全数字化成果,大量工作由计算机自动处理完成,省工省力,大量外业工作前移至航摄阶段,节省时间。
地质灾害及环境监测
关于地质灾害地质灾害的监测:
对于已发生的灾害可以及时和快速发现和定位,有利于成因和原因分析,最终评价地质灾害的危害和损失,从而提出预防的措施。
危险性预测
对于未发生的灾害可以进行预报,融合各类信息进行空间分析,尽可能准确定位,进行地质灾害危险性分析,及时和尽可能准确预报,提出尽可能有效的预防措施。
桥梁隧道监测
环境地学及地质灾害问题突出特征是其信息的多源性﹑模糊性﹑非确定性和随机性。所有这些,都为环境地学的信息处理带来了极大的困难。
传统的方法与手段,要么无能为力,要么因简化而缺失大量的信息,导致成果可靠程度的降低。更为不利的是,传统的处理方法其成果表达缺乏直观性和可操作性。因此,建立符合地学信息客观规律的地质环境管理与灾害评价系统成为面向21世纪环境地学研究的前沿课题。
昆阳磷露天监测
地面沉降及裂缝监测
实例介绍
基于地面三维激光扫描技术的危岩体监测
以重庆武隆-南川地区典型危岩体为研究目标,构建监测区域三维地形模型;选择1-2个危岩体作为重点监测对象,通过多期数据采集和数据处理,研究监测目标表面变化;通过三维激光扫描试验,开展三维激光扫描监测应用研究与示范。
研究背景及研究区域概况
1 监测区域概况:
鸡冠岭位于重庆武隆乌江左岸,1994年4月30日鸡冠岭发生崩塌,体积400余万m3,崩塌导致15人死亡,21人受伤,沉船5艘,导致乌江断航数月,直接经济损失9887万元 。
发生岩崩后,在鸡冠岭的临江面崩塌堆积体后缘陡壁上形成了新的危岩体。新形成的危岩体主要分布于崩塌体的北西侧,原变电房一带,沿北东—南西方向呈脊岭分布。分布标高540 m-740 m,长300余米,宽70余米,分布面积约2.1×104 m2,方量约为45.06×104 m3。
这段危岩的南东面地形很陡,岩体也较为破碎,是本段危岩集中发育地带。特别是此段危岩下部岩溶极其发育,对上部岩体的稳定性极为不利。
2000年10月18日以来,鸡冠岭区域地下出现了不明声响并伴有强烈振动,一旦发生危岩体崩塌和崩塌体失稳、滑移,就将严重威胁乌江沿线的白马、羊角、土坎、碑垭、巷口和涪陵区的广大人民群众的生命财产安全,危及319国道乌江边滩隧道安全,影响乌江水运,并直接或间接影响到渝怀铁路的施工及今后的运营。
鸡冠岭地形
2 研究背景:
危岩体监测是灾害监测的重要内容,如羊角镇采用GPS技术进行了周期性监测,甑子岩采用了全站仪和滑坡预警伸缩仪等进行了危岩体稳定性或裂缝宽度变化监测。由于鸡冠岭危岩体坡度大,基本无法在危岩体表面上设置GPS监测站;同时,由于危岩体区域不大、坡度大,且危岩体位移和滑动不仅局限于垂直方向,因此,采用InSAR技术进行形变监测也有一定的限制。
因此对高坡度危岩体进行监测需要探讨其他方法,基于地面三维激光扫描技术的高坡度危岩体监测有一定的可行性。
3 研究方法及技术路线
(1)设置野外观测站
三维激光扫描仪
(2)野外三维激光数据采集
(3)三维激光扫描点云数据处理
a 多期点云数据配准
多期点云配准是指将不同时间所获取的点云数据转换至同一坐标系下的过程。多期点云配准是进行变形分析前一个非常重要的步骤。针对研究内容和目标的特殊性,项目提出了两种配准方法,第一是使用ICP算法进行配准;第二是采用曲面拟合的方法,建立两期观测数据空间拟合曲面,进而完成点云数据的配准。
误差校正
b TLS点云数据系统误差分析及消除.
点云处理
c 点云数据滤波
数据建模
数字表面模型
d 点云数据建模及地形构建
危岩表面监测过程
e 危岩体表面分析及变化监测
危岩体表面监测结果
f 初步结论:
通过对TLS技术数据处理、系统误差分析及在危岩体监测中的应用研究,探讨了不同的点云配准方法,并在此基础上,对TLS的系统误差(测距误差和测角误差)进行了改正。
通过危岩体多期数据的分析,将TLS技术用于危岩体表面纹理、裂缝、变化分析是可行的。进一步,将对危岩体表面进行多空间特征的分析和研究,完善监测技术流程,优化表面变化分析模型,提出可行的监测技术示范。

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