CN103792542A - 一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法 - Google Patents

Abstract

一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，包括如下步骤：确定工点；在工点布设反射靶标，获取危岩落石所在位置的激光点云，获取反射靶标中心处的局部坐标；全景影像中的颜色赋予激光点云得到彩色激光点云；利用变换关系将局部坐标系下的彩色激光点云转换到测区坐标系；彩色激光点云分类；危岩落石的识别和信息提取；提取危岩落石的横断面并将危岩落石信息标注在横断面线上。本发明通过地面激光雷达这一先进的测绘新技术，实现危岩落石信息的准确提取，是一种基于地面激光雷达技术的山区地质灾害勘察新方法。通过煤运通道(三门峡至荆门段)和新疆巴伦台至伊尔根铁路工程的实际应用，证明本发明方法行之有效。

Description

一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法

技术领域

本发明涉及一种危岩落石调查方法，具体涉及一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查与信息提取方法。

背景技术

危岩落石是山区常见的地质灾害，在重力及其它外力作用下危岩落石可能突然从陡峻山坡上分离，并以滑移、弹跳、滚动或其它的某种组合方式顺坡向下剧烈运动。当其发生在铁路、公路附近时，常会带来交通中断和人身伤亡等重大危害。因此，对于新建的山区铁路、公路工程，必须进行危岩落石调查，并针对危岩落石建立相应的处置方案；对于既有的山区铁路和公路，也要定期进行危岩落石调查，排查风险。

目前危岩落石调查主要以人工现场调查为主，辅以航、卫片解译。由于危岩落石多分布于地势陡峻地段，地形地貌十分复杂，交通条件、工作条件极度恶劣，现场调查工作费时费力，开展困难，且精度不高，有时甚至要冒着极大的生命危险，导致危岩落石根本无法全面调查清楚。

地面三维激光扫描技术是近年来出现的新技术。该技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高精度地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，为快速建立物体的三维信息提供了一种全新的技术手段，非常适合危岩落石调查。为此，将地面三维激光扫描技术引入到危岩落石调查领域，建立针对危岩落石调查的数据采集和处理的工艺流程、技术指标与参数，代替人工调查方法，具有显著的技术和社会效益。

发明内容：

本发明提供了一种能准确确定危岩落石的分布范围、规模大小、空间形态和位置，实现危岩落石的识别、信息提取的基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，使其能代替人工调查，极大的降低了野外工作量，大大缩短了调查周期。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，方法包括如下步骤：(1)利用现有工程勘察资料确定危岩落石的分布区域作为工点；(2)数据采集：在工点布设反射靶标，用地面激光扫描仪对工点进行粗扫，用数码成像设备获取工点的全景影像；通过粗扫结果获取危岩落石和反射靶标的位置，对危岩落石所在位置进行精扫获取危岩落石所在位置的激光点云，对反射靶标所在位置进行精扫获取反射靶标中心处的局部坐标；(3)激光点云赋色：选取至少三对激光点云与全景影像的同名点，通过同名点对激光点云与全景影像进行配准，并将全景影像中的颜色赋予激光点云得到彩色激光点云；(4)激光点云坐标变换：测得反射靶标的测区坐标，通过反射靶标的局部坐标和测区坐标，计算出局部坐标和测区坐标的变换关系，利用变换关系将局部坐标系下的彩色激光点云转换到测区坐标系下；(5)彩色激光点云分类：将测区坐标系之下的彩色激光点云分为初始点类、地面点类、植被类、人工构造物类和其他类五个类别；(6)危岩落石的识别和信息提取：基于分类后的彩色激光点云识别出危岩落石，基于地面点类的彩色激光点云提取危岩落石信息；(7)提取危岩落石处理设计横断面线：利用地面点类的彩色激光点云提取危岩落石处置设计所需的横断面，并将危岩落石信息标注在横断面线上。

较佳地，步骤(2)中是以单扫描站方式扫描工点，扫描站是地面激光扫描仪的架设地点，地面激光扫描仪架设在能够扫描整个工点的位置。

较佳地，步骤(2)中是以多扫描站方式扫描工点，扫描站是地面激光扫描仪的架设地点，架设多个地面激光扫描仪使扫描的结果能覆盖整个工点区域。

较佳地，步骤(2)中：在地面激光扫描仪的扫描范围之内布设至少三个反射靶标，各个反射靶标呈环形均匀布设，各个反射靶标与地面激光扫描仪之间的距离不同，且设置于不同的高度。

较佳地，步骤(2)中：利用数码成像设备对工点进行旋转拍摄，将旋转拍摄所获得的影像进行拼接得到工点的全景影像。

较佳地，步骤(3)中：对全景影像和激光点云进行配准是指通过同名点计算全景影像与激光点云坐标变换的对应关系；

较佳地，步骤(4)中反射靶标的测区坐标是利用无合作目标全站仪测得的；局部坐标和测区坐标的变换关系是通过七参数方法计算获得的。

较佳地，步骤(6)的具体步骤为：(61)依据分类后的彩色激光点云建立遥感解译标志，遥感解译标志包括危岩落石、节理裂隙构造、地层岩性；(62)依据彩色激光点云以人机交互的方式进行遥感识别，分别识别出危岩和落石，以及危岩和落石的空间位置、体积；(63)依据地面点类的彩色激光点云提取所识别出的危岩落石的信息，信息包括地层岩性、节理裂隙发育程度、裂隙类型、延伸长度、边界和尺寸，并将所提取的危岩落石信息展绘到地形图上。

较佳地，步骤(7)的具体步骤为：(71)给定要切取的横断面的中桩坐标及断面线上除中桩外任意一点坐标，获取横断面的文本文件：文本文件中每个横断面占据一行，每行第一列为中桩点的里程桩号，第二列为中桩点的东坐标，第三列为中桩点的北坐标，第四列为确定断面方向偏移点的东坐标，第五列为确定断面方向偏移点的北坐标；(72)依据横断面的文本文件，基于地面点类的彩色激光点云生成横断面，得到横断面的图形文件；(73)将步骤(6)提取的危岩落石信息标注横断面图形文件的横断面线上。

与现有技术相比本发明的方法通过在工点布设反射靶标，将所述反射靶标的两套包括局部坐标和测区坐标联系起来计算出测区坐标和局部坐标的变换关系，从而将测得的局部坐标系下的危岩落石区域的激光点云转换到测区坐标系之下；对点云进行赋色，对赋色后的点云进行分类，基于分类后的彩色激光点云进行危岩落石的识别和提取工作。

本发明所述的方法具有如下优点：(1)精度高，对危岩落石处置设计指导性强。本发明方法可高精度的提取危岩落石信息，有利于对危岩落石的危险性进行评估，从而有效指导危岩落石处理措施的制定，消除安全隐患；(2)信息量丰富，可回溯性强。本发明方法可一次性获取危岩落石工点的全息三维数据，信息量非常丰富，可随时对数据进行回溯；(3)效率高，劳动强度低。与传统的人工调查方法相比，本发明方法将危岩落石调查方法从繁重的野外人工调查变成了室内解译，提高了危岩落石调查的效率，大大降低了劳动强度。例如：采用人工调查方法调查一个复杂工点通常需要10-15天，而采用本发明方法外业采集需30-60分钟，内业解译需30-45分钟；(4)安全性好，采用本发明方法无需调查人员攀爬陡峭的山坡，保证了调查人员的人身安全，同时对于运营的铁路线也可安全调查。

本发明通过地面激光雷达这一先进的测绘新技术，实现危岩落石信息的准确提取，是一种基于地面激光雷达技术的山区地质灾害勘察新方法。通过煤运通道(三门峡至荆门段)和新疆巴伦台至伊尔根铁路工程的实际应用，证明本发明方法行之有效。

附图说明

图1为本发明实施例流程图；

图2为本发明实施例彩色激光点云提取危岩落石信息；

图3为本发明实施例危岩落石解译成果展绘；

图4为本发明实施例提取的带有危岩落石信息的横断面线示例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，包括如下步骤：

第一步，利用现有工程勘察资料确定危岩落石的分布区域作为工点；

根据工程勘察资料确定含有危岩落石的工点，主要包括：(1)工程预可行性和可行性研究及初步设计等阶段收集的航、卫片；(2)工程技术人员现场踏勘和调查成果。通过对以上资料进行分析，在地形图上圈定可能含有危岩落石的范围，作为危岩落石工点。

第二步，数据采集：在工点布设反射靶标，用地面激光扫描仪对工点进行粗扫，用数码成像设备获取工点的全景影像；通过粗扫结果获取危岩落石和反射靶标的位置，对危岩落石所在位置进行精扫获取危岩落石所在位置的激光点云，对反射靶标所在位置进行精扫获取反射靶标中心处的局部坐标，本实施例中粗扫是指按照0.5米的点间隔进行的扫描；精扫是指按照最终要求的点间隔进行的扫描，一般点间隔高于0.1米。具体步骤为：

(21)在工点架设地面激光扫描仪，架设地点即为扫描站；

扫描仪选择：目前市场上销售的地面激光扫描仪按扫描方式可分为脉冲式和相位式两大类。相位式地面激光扫描仪扫描距离一般在100米以内，而脉冲式地面激光扫描仪扫描距离较长，通常可达到500-1000米。由于危岩落石往往分布于高山区，人和仪器只能到达山脚，距离危岩落石通常还有几百米的距离。因此宜选用扫描距离较长的脉冲式地面激光扫描仪，且扫描距离越远越好。激光雷达只能获取目标的三维坐标点云和强度信息，要想进行危岩落石提取，影像信息必不可少，因此必须选择附带数码相机的激光扫描仪；

数据精度及密度设计：激光雷达扫描数据成果的平面精度优于0.1m，高程精度优于0.2m，激光点间隔小于0.1m，数码影像地面分辨率高于0.05m；

选择架站位置时应当考虑工点的实际情况、扫描距离和角度，设定好架站后将扫描仪架在三脚架上，组装好扫描仪，打开扫描仪，确定设备正常；

(22)在扫描站的扫描范围之内布设至少三个反射靶标；

地面激光扫描仪直接获取的是局部坐标系的坐标，需要通过反射靶标将获取的点云数据变换到铁路工程建设所在的测区坐标系下，这里的反射靶标指的是一种具有高反射强度的特定形状的标志。

反射靶标的布设须充分考虑测区的地形地貌形态，尽可能使反射靶标呈环形均匀布设，各个反射靶标与地面激光扫描仪之间的距离不同，一般来说均不超过100米，且各个反射靶标设置于不同的高度。

由于需要测量反射标靶在工程坐标系下的三维坐标，所以在扫描前，首先通过GPS和高程拟合技术在工点附近建立局部控制网，然后利用局部控制网对无合作目标全站仪进行定向，定向完成后，利用无合作目标全站仪测量反射靶标的测区坐标。

(23)利用地面激光扫描仪对扫描站扫描范围的工点区域进行粗扫得到粗扫点云；

同时利用数码成像设备对工点进行旋转拍摄，将旋转拍摄所获得的影像进行拼接得到工点的全景影像。

(24)通过粗扫点云获取危岩落石和反射靶标的分布位置；(25)对危岩落石所在位置进行精扫，获取危岩落石所在位置的激光点云；(26)对反射靶标所在位置进行精扫，获取反射靶标中心处的局部坐标。

当一个扫描站无法覆盖整个工点时，用多扫描站方式，架设多个地面激光扫描仪使扫描的结果能覆盖整个工点区域，重复上述步骤对工点进行数据采集直到覆盖整个工点区域。

第三步，激光点云赋色：

(31)在地面激光雷达数据处理软件(如RiScanPro)中，以人机交互的方式选取至少三对激光点云与全景影像的同名点，同名点具体是指同一目标点在全景影像上的像点和激光点云中的激光点。

(32)通过同名点对激光点云与全景影像进行配准，也即通过同名点计算全景影像与激光点云坐标变换的对应关系；

(33)将全景影像中的颜色赋予激光点云得到彩色激光点云。

第四步，激光点云坐标变换，地面激光扫描仪直接获取的是局部坐标系之下的激光点云数据，需要通过反射靶标将获取的激光点云数据变换到铁路工程建设所在的测区坐标系中，具体方法为：

利用无合作目标全站仪测得反射靶标的测区坐标；通过反射靶标的局部坐标和测区坐标，通过七参数方法计算出局部坐标和测区坐标的变换关系，利用变换关系将局部坐标系下的彩色激光点云转换到测区坐标系下。

第五步，彩色激光点云分类，将测区坐标系之下的彩色激光点云分为初始点类、地面点类、植被类、人工构造物类和其他类五个类别，具体方法如下：

(51)在TerraScan软件中建立初始点云类(记为default类)、地面点类(记为ground类)、植被类(记为vegetation类)、构造物类(记为structure类)和其他类(记为other类)五个类别，将坐标变换后的彩色激光点云导入到default类中；

(52)利用TerraScan软件的分离高点和低点的功能，将地面以下和天空中的激光点从default类分到other类中；

(53)利用TerraScan软件的分离地面点功能，将地面点自动从default类分到ground类中。利用TerraScan软件的分离植被点功能将植被点从default类分到vegetation类中。

(54)第(53)步分类的过程中，会将构造物点分到vegetation类中，利用TerraScan软件的分离构造物的功能，将构造物点从vegetation类中分到structure类中；

(55)人工对以上步骤分类后的激光点云进行多方向拉剖面检查和高程渲染三维可视化检查，同时参考相应的影像数据，对分类结果进行检查、编辑和修改，确保点云正确的分到相应的类别中，保存最终分类后的点云。

第六步，危岩落石的识别和信息提取：基于分类后的彩色激光点云识别出危岩落石，基于地面点类的彩色激光点云提取危岩落石信息；具体步骤为：

(61)依据分类后的彩色激光点云建立遥感解译标志，遥感解译标志包括危岩落石、节理裂隙构造、地层岩性；

基于彩色激光点云，建立危岩落石、节理裂隙构造、地层岩性等遥感解译标志，其在彩色激光点云中主要表现如下：1）色调浅，亮度值高；危岩落石多发生在裸露的基岩区，植被不发育，反射率高，多呈浅色调，亮度值较高；2）落石多呈块、粒状，且具阴影；3）危岩因节理裂隙较发育，表面不平，具粗糙感。

同时只有满足下列条件的岩体才是危岩落石：1）裸露的基岩区，植被不发育，且坡度陡峻，上陡下缓，坡面不平整；2）岩体节理、裂隙发育，结构面多张开，且存在深而陡的、平行于坡面的张裂隙；3）与母岩即将发生分离并对工程、生命财产构成威胁的岩块或为已与母岩分离的岩石。

(62)在三维点云浏览与编辑软件（如TerraScan，RealWorksSurvey）中加载彩色激光点云，以人机交互的方式进行遥感识别，分别识别出危岩和落石，以及危岩和落石的空间位置和边界。

(63)依据地面点类的彩色激光点云提取所识别出的危岩落石的信息，信息包括地层岩性、节理裂隙发育程度、裂隙类型、延伸长度、边界和尺寸，并将所提取的危岩落石信息展绘到地形图上。

第七步，提取危岩落石处理设计横断面线：利用地面点类的彩色激光点云提取危岩落石处置设计所需的横断面，并将危岩落石信息标注在横断面线上，具体步骤为：

(71)给定要切取的横断面的中桩坐标及断面线上除中桩外任意一点坐标，获取横断面的文本文件：文本文件中每个横断面占据一行，每行第一列为中桩点的里程桩号，第二列为中桩点的东坐标，第三列为中桩点的北坐标，第四列为确定断面方向偏移点的东坐标，第五列为确定断面方向偏移点的北坐标；

(72)利用中铁第四勘察设计院集团有限公司自主研发的RailwayLas软件依据横断面的文本文件，基于地面点类的彩色激光点云生成横断面，得到CAD格式的横断面的图形文件；

(73)将步骤(6)提取的危岩落石信息标注横断面图形文件的横断面线上，供涉及处理之用。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述方法包括如下步骤： 

(1)利用现有工程勘察资料确定危岩落石的分布区域作为工点； 

(2)数据采集：在所述工点布设反射靶标，用地面激光扫描仪对所述工点进行粗扫，用数码成像设备获取所述工点的全景影像；通过粗扫结果获取所述危岩落石和所述反射靶标的位置，对所述危岩落石所在位置进行精扫获取所述危岩落石所在位置的激光点云，对所述反射靶标所在位置进行精扫获取所述反射靶标中心处的局部坐标； 

(3)激光点云赋色：选取至少三对所述激光点云与所述全景影像的同名点，通过所述同名点对所述激光点云与所述全景影像进行配准，并将所述全景影像中的颜色赋予所述激光点云得到彩色激光点云； 

(4)激光点云坐标变换：测得所述反射靶标的测区坐标，通过所述反射靶标的局部坐标和测区坐标，计算出所述局部坐标和所述测区坐标的变换关系，利用所述变换关系将局部坐标系下的所述彩色激光点云转换到测区坐标系下； 

(5)彩色激光点云分类：将测区坐标系之下的所述彩色激光点云分为初始点类、地面点类、植被类、人工构造物类和其他类五个类别； 

(6)危岩落石的识别和信息提取：基于分类后的所述彩色激光点云识别出所述危岩落石，基于所述地面点类的所述彩色激光点云提取所述危岩落石信息； 

(7)提取危岩落石处理设计横断面线：利用所述地面点类的所述彩色激光点云提取所述危岩落石处置设计所需的横断面，并将危岩落石信息标注在横断面线上。 

2.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(2)中是以单扫描站方式扫描所述工点，所述扫描站是所述地面激光扫描仪的架设地点，所述地面激光扫描仪架设在能够扫描整个所述工点的位置。 

3.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(2)中是以多扫描站方式扫描所述工点，所述扫描站是所述地面激光扫描仪的架设地点，架设多个所述地面激光扫描仪使扫描的结果能覆盖整个所述工点区域。 

4.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(2)中：在所述地面激光扫描仪的扫描范围之内布设至少三个反射靶标，各个所述反射靶标呈环形均匀布设，各个所述反射靶标与所述地面激光扫描仪之间的距离不同，且设置于不同的高度。 

5.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(2)中：利用数码成像设备对所述工点进行旋转拍摄，将旋转拍摄所获得的影像进行拼接得到所述工点的全景影像。 

6.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(3)中：对所述全景影像和所述激光 点云进行配准是指通过所述同名点计算所述全景影像与所述激光点云坐标变换的对应关系。 

7.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述反射靶标的测区坐标是利用无合作目标全站仪测得的；所述局部坐标和所述测区坐标的变换关系是通过七参数方法计算获得的。 

8.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(6)的具体步骤为： 

(61)依据分类后的所述彩色激光点云建立遥感解译标志，所述遥感解译标志包括危岩落石、节理裂隙构造、地层岩性； 

(62)依据所述彩色激光点云以人机交互的方式进行遥感识别，分别识别出危岩和落石，以及所述危岩和所述落石的空间位置、体积； 

(63)依据所述地面点类的彩色激光点云提取所识别出的危岩落石的信息，所述信息包括地层岩性、节理裂隙发育程度、裂隙类型、延伸长度、边界和尺寸，并将所提取的危岩落石信息展绘到地形图上。 

9.根据权利要求1所述的一种基于地面激光雷达技术的危岩落石调查方法，其特征在于所述步骤(7)的具体步骤为： 

(71)给定要切取的横断面的中桩坐标及断面线上除中桩外任意一点坐标，获取所述横断面的文本文件：所述文本文件中每个横断面占据一行，每行第一列为中桩点的里程桩号，第二列为中桩点的东坐标，第三列为中桩点的北坐标，第四列为确定断面方向偏移点的东坐标，第五列为确定断面方向偏移点的北坐标； 

(72)依据所述横断面的所述文本文件，基于所述地面点类的彩色激光点云生成横断面，得到所述横断面的图形文件； 

(73)将所述步骤(6)提取的危岩落石信息标注所述横断面图形文件的横断面线上。 

Images