机载Lidar在地质灾害应急测绘中的应用

机载Lidar在地质灾害应急测绘中的应用摘要：机载Lidar是近些年研发而出的一种新型技术，可以对地面的数据在三维角度上进行捕获，机载Lidar属于一种主动形式的对地观测技术。机载Lidar在数据处理层面主要包含滤波、拼接、剔除噪声、计算三维空间坐标、确定行迹等诸多内容，国内外针对机载Lidar在算法、软件、硬件层面都展开了大范围的研究，而且也在各个领域中实现了应用，比如灾害调查、断层调查、地形测量等。本文主要针对机载Lidar在地质灾害应急测绘工作中的应用进行分析，然后基于此，提出了一系列应用措施，以供参考。关键词：机载Lidar；地质灾害；应急测绘；应用前言：机载Lidar自身具备穿透性强、高效率、快速、高精度等诸多优点，应用激光点云可以对地理信息数据进行多样性的采集，现阶段已经得到社会、学术各界的广泛关注。地质灾害期间采取传统的监测方式很难发现变化点，但在高分点云上呈现的通常都是地形的急剧转变。所以，现阶段在地质灾害的应急测绘工作中，对机载Lidar的应用进行分析，不仅可以提升测绘工作的精准程度，也有利于工作人员对于后续灾情进行合理评估。1机载Lidar的工作原理机载Lidar的主要能源来源是，激光发射装备所形成的一道较细、能量高的光子脉冲流，且散射率较低、频谱较窄，能够更好的传播到较远的距离，而且可以精准的针对所接触的物体实行有效定位。机载Lidar可以记录每个激光发射器，从发射一束激光到激光接触到物体，从而在反射到激光接收机整个过程的一个具体时间，从而对地表和激光发射器相互之间的距离进行有效测算，通常情况下，会应用发射以及回收信号相互之间的相位差，来对被测目标的实际距离进行有效测算。与此同时，机载GPS以及测区内部的GPS基站，按照自身所接收的卫星信号对其展开差分，来明确飞机当前的精准区域，IMU可以对飞机在飞行时的姿态进行有效记录，对姿态、位置、时间三种数据信息进行有机结合，经过测算就可以获取地面和物体的具体高程信息。此外，机载Lidar可以全天24小时工作，不会受到云层或者阴影的不利影响。2以机载Lidar为基础的地质灾害应急测绘保障机载Lidar可以通过飞行的方式来捕获最原始的数据，只需要在地面布设少数的控制点就可以直接产生DEM、DOM，相比较于传统形式的摄影测量技术而言，机载Lidar可以让经济成本、人力、时间等都得到极大程度的节约。对地质灾害开展调查研究工作时，传统意义上的光学卫星遥感的调查技术，以及无人机低空形式的航拍遥感等诸多技术，长期以来都是地质灾害工作人员在调查期间采取的一种主要措施，在调查地质灾害、评估灾后情况等诸多工作中，都拥有至关重要的作用。但以往传统意义上所应用的光学遥感技术，在对植被进行捕获时无法起到穿透的效果，而且传统形式的测量数据，在几何精度层面会受到地形地貌、天气因素、传感器种类等诸多因素的影响，而且还存在生产成果比较落后、工期过长等诸多情况，而机载Lidar测量技术主要是应用激光测距仪器，通过主动的形式对脉冲信号进行发射，就能够对植被起到穿透的效果，从而获取真实的地表形态，之后应用点云数据的方式实行去噪以及滤波，就可以有效消除植被层中的点云数据，从而建立快速、高效、高精度的DEM。一部分研究人员发现，在地质灾害的应急测绘应用工作中，相比较于传统形式的航空摄影测量技术而言，机载Lidar在精准度、作业效率层面都拥有更大的优势［1］。3地质灾害的应急测绘工作中机载Lidar的具体应用3.1监测地质灾害中的山体裂缝山体裂缝是山体滑坡出现的一个明显征兆，滑坡在出现之前通常情况下会在山体出现横向或者纵向的反射性裂缝，表示滑坡体在向前移动期间受到推挤以及阻碍，而且已经处于临滑状况。以往在对山地裂缝进行探测工作时，通常情况下都是派遣工作人员到实地对整个测区进行勘察，工作人员通常情况下都需要翻山越岭对山体裂缝进行排查，才能够捕获山体裂缝的具体宽度、深度、长度位置等一些参数，由此来确定裂缝导致坍塌出现的具体几率，以及坍塌事故发生之后可能受到灾害影响的地理范围。但是，此类地区由于地势陡峭险峻，所以危险程度极高，而且专业人员在测区进行勘探时，无法针对所有区域进行全方位的勘探，对于一些山势较为陡峭的区域，工作人员无法进入实地对其进行勘探，而且此种类型地区通常情况下会处在海拔200~1300米的范围内地势极为险峻，危险程度极高，如果应用传统形式来捕获信息，存在一定程度上的局限性。由此，目前应用机载Lidar制作而成的地理信息数字成果，在数学层面具备极高的精准程度，可以更好的满足地质灾害监测工作的精准度要求，在监测山地裂缝灾害工作中可以发挥至关重要的作用，对于灾害的预警和预防也能起到极其重要的意义。3.2滑坡体的监测滑坡体指的是受到雨水浸泡、人工砌坡、地震、地下水、河流冲刷等诸多因素的影响，山体斜坡上的岩石或者土体会在重力的作用下，沿着软弱带形成剪切位移，导致整体或者分散的顺着滑坡向下移动的自然地理现象。通常意义来说，滑坡所在地的山体海拔位置越高，下滑时移动的速度也就越快，滑坡体出现的体积也就更大，滑坡体所裹挟的物质在移动时距离范围也就更远，所以会对基础设备造成极大程度的伤害，如若情节严重，对于公众生命财产也会造成极其严重的损失。有关工作人员以监测所获取的点源数据为基础，提出了一种以三角形生长算法为基础的滑坡体自动提取技术。主要思路如下：点云构TIN选择应用递归生长算法，亦或是基本三角形的生长算法。三角形在形成过程中，除却根据基本算法形成三角形之外，还可以添加高程差值评估。确定科学合理的阈值，如果高程信息的变化高于指定阈值，就需要立刻停止此方向的三角形构TIN，在其他方向上让三角形持续生成。一直按照点源的密度和监测区域地表覆盖地形坡度，地貌特征等具体状况来设定。按照经验通常情况下，都是将地形坡度2~3倍的高差指定为阈值。按照上述方法构建的TIN，在未出现滑坡的局部地带，因为高程变化具有持续性，所以会形成一个以三角形所组成的三维面片。但如若出现滑坡，受到高程差值的制约，就会形成两个三位面片，而且在滑坡区域会出现较为显著的分离现象，由此就可以自动评估出滑坡体。对山体裂缝开展的监测工作，顾名思义也就是对滑坡灾害进行监测，由于滑坡在运动时边缘会出现一些裂缝，所以滑坡监测以及裂缝监测二者可以同步开展⑵。4地质灾害的应急测绘工作中机载Lidar的应用案例4.1机载Lidar数据的捕获以及处理4.1.1机载Lidar的捕获以四川省茂县新磨村在发生山体滑坡之后，采取的应急测绘保障工作为具体示例。综合思考该地区飞行安全、气象、滑坡地貌等诸多因素，在应急测绘期间应用大黄蜂的4旋翼无人机，并配备AS-1300HL型号的机载激光雷达系统，对数据进行有效捕获。AS-1300HL属于一套多平台的激光雷达系统，能够在车辆载体、飞行载体上进行应用，并对大量的点云数据以及高清影像数据进行有效收集，扫描区域可以达到1350米。机载Lidar在原始层面所捕获的有关数据信息如下：共计飞行架次为两次。预处理工作完成之后，点云数据总量为4.44GB。点云覆盖总面积为1.2km2(0.6+0.7)，总的重叠区域为0.1km2。影像数据总量一共为898张，第1架次总量是414张，第2架次总量为484张，数据存储总量为27.1G。影像覆盖总面积为1.6km2。4.1.2机载Lidar的数据处理首先，应用InertialExplorer型号的8.7软件，与INS数据、机载雷达的GNSS、解算地面的GNSS基站等为基础，共同产生精度较高的POS轨迹成果。其次，使用CoPre数据的预处理软件，对处理完成之后的POS轨迹，以及原始RXP的点云格式展开处理，经过投影改正之后，形成拥有绝对坐标的LAS格式的点云成果，而且可以使用原始影像中的数据对点云进行着色。然后，应用CoProcess数据的后处理软件，针对点云展开去噪和滤波处理，形成精度较高的DEM成果。最后，使用PhotoScan影像处理软件，以原始影像数据的自动化处理为基础产生DOM成果。4.2应急测绘工作的流程以及工作效率分析地质灾害点通常情况下地形较为复杂，而且交通不够便利，相对高差比较大，如果应用传统形式的摄影测量技术，在准备航空摄影分析资料、收集资料、飞行等需要一天的时间，相片的测量、调绘也需要一天时间，制作DEM、采集以及编辑内业数据、空三加密等需要一天时间。所以，采取传统形式的摄影测量技术，大概需要耗费三天左右的时间，但是机载Lidar仅仅需要三个小时就可以完成，能够让工作效率得到极大程度上的提升。4.3去除植被的点云图机载Lidar中的激光测距仪器，可以对脉冲信号进行主动发射，在穿透植被之后可以获取真实的地标，经过点云数据的去噪以及滤波，在消除植被点云层的所有数据之后，可以迅速建立精度较高的DEM，如图4-1所示为植被点云消除前后的点云图比对，二者比对分析之后，可以发现机载Lidar可以有效消除植被点云，更好的还原地表的真实信息。1»|M跄心除的的小云圈归祖厦点云去除后的点云图图4-1植被点云消除前后的点云图比对4.4精度分析在起始区域由于刚刚锁定卫星，所以会出现较大的跳变，但是伴随系统静止以及初始化全部完成之后，波动曲线会逐渐趋于稳定，而且精度可以维持在一厘米的范围。激光雷达测量所获取的结果精准程度较高，且数据精准程度高就可以与其他测绘技术进行有机结合，从而实现迅速成图，有利于地质灾害发生之后的评估工作。4.5DOM成果使用PhotoScan软件对影像数据进行有效处理，分辨率为0.1米，可以直观、清晰的描绘出灾区的实际状况，更好的满足应急测绘保障，在地理空间、服务信息层面的需求[3]结束语：综上所述，机载Lidar在测量期间，结果精准度极高，捕获数据精准度高，可以与其他类型的测绘技术进行有机结合，从而实现迅速成图，有利于灾害事故发生之后的灾情评估工作。而且，机载Lidar可以直接穿透植被，捕获地表的真实形态，在植被茂密位置发生山体滑坡之后，对灾后应急测绘可以起到有效的保障工作，同时还可以将机载Lidar用在隐蔽滑坡隐患的提前预估和早期识别层面。另外，相比较于传