一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法
【專利摘要】一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，包括如下步驟：確定工點；在工點布設反射靶標，獲取危巖落石所在位置的激光點云，獲取反射靶標中心處的局部坐標；全景影像中的顏色賦予激光點云得到彩色激光點云；利用變換關系將局部坐標系下的彩色激光點云轉換到測區坐標系；彩色激光點云分類；危巖落石的識別和信息提取；提取危巖落石的橫斷面并將危巖落石信息標注在橫斷面線上。本發明通過地面激光雷達這一先進的測繪新技術，實現危巖落石信息的準確提取，是一種基于地面激光雷達技術的山區地質災害勘察新方法。通過煤運通道(三門峽至荊門段)和新疆巴倫臺至伊爾根鐵路工程的實際應用，證明本發明方法行之有效。
【專利說明】一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種危巖落石調查方法，具體涉及一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查與信息提取方法。
【背景技術】
[0002]危巖落石是山區常見的地質災害，在重力及其它外力作用下危巖落石可能突然從陡峻山坡上分離，并以滑移、彈跳、滾動或其它的某種組合方式順坡向下劇烈運動。當其發生在鐵路、公路附近時，常會帶來交通中斷和人身傷亡等重大危害。因此，對于新建的山區鐵路、公路工程，必須進行危巖落石調查，并針對危巖落石建立相應的處置方案；對于既有的山區鐵路和公路，也要定期進行危巖落石調查，排查風險。
[0003]目前危巖落石調查主要以人工現場調查為主，輔以航、衛片解譯。由于危巖落石多分布于地勢陡峻地段，地形地貌十分復雜，交通條件、工作條件極度惡劣，現場調查工作費時費力，開展困難，且精度不高，有時甚至要冒著極大的生命危險，導致危巖落石根本無法全面調查清楚。
[0004]地面三維激光掃描技術是近年來出現的新技術。該技術通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高精度地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，為快速建立物體的三維信息提供了一種全新的技術手段，非常適合危巖落石調查。為此，將地面三維激光掃描技術引入到危巖落石調查領域，建立針對危巖落石調查的數據采集和處理的工藝流程、技術指標與參數，代替人工調查方法，具有顯著的技術和社會效益。
【發明內容】
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[0005]本發明提供了一種能準確確定危巖落石的分布范圍、規模大小、空間形態和位置，實現危巖落石的識別、信息提取的基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，使其能代替人工調查，極大的降低了野外工作量，大大縮短了調查周期。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，方法包括如下步驟:(I)利用現有工程勘察資料確定危巖落石的分布區域作為工點；(2)數據采集:在工點布設反射靶標，用地面激光掃描儀對工點進行粗掃，用數碼成像設備獲取工點的全景影像；通過粗掃結果獲取危巖落石和反射靶標的位置，對危巖落石所在位置進行精掃獲取危巖落石所在位置的激光點云，對反射靶標所在位置進行精掃獲取反射靶標中心處的局部坐標；(3)激光點云賦色:選取至少三對激光點云與全景影像的同名點，通過同名點對激光點云與全景影像進行配準，并將全景影像中的顏色賦予激光點云得到彩色激光點云；(4)激光點云坐標變換:測得反射靶標的測區坐標，通過反射靶標的局部坐標和測區坐標，計算出局部坐標和測區坐標的變換關系，利用變換關系將局部坐標系下的彩色激光點云轉換到測區坐標系下；(5)彩色激光點云分類:將測區坐標系之下的彩色激光點云分為初始點類、地面點類、植被類、人工構造物類和其他類五個類別；(6)危巖落石的識別和信息提取:基于分類后的彩色激光點云識別出危巖落石，基于地面點類的彩色激光點云提取危巖落石信息；(7)提取危巖落石處理設計橫斷面線:利用地面點類的彩色激光點云提取危巖落石處置設計所需的橫斷面，并將危巖落石信息標注在橫斷面線上。
[0007]較佳地，步驟(2)中是以單掃描站方式掃描工點，掃描站是地面激光掃描儀的架設地點，地面激光掃描儀架設在能夠掃描整個工點的位置。
[0008]較佳地，步驟(2)中是以多掃描站方式掃描工點，掃描站是地面激光掃描儀的架設地點，架設多個地面激光掃描儀使掃描的結果能覆蓋整個工點區域。
[0009]較佳地，步驟(2)中:在地面激光掃描儀的掃描范圍之內布設至少三個反射靶標，各個反射靶標呈環形均勻布設，各個反射靶標與地面激光掃描儀之間的距離不同，且設置于不同的高度。
[0010]較佳地，步驟(2)中:利用數碼成像設備對工點進行旋轉拍攝，將旋轉拍攝所獲得的影像進行拼接得到工點的全景影像。
[0011]較佳地，步驟(3)中:對全景影像和激光點云進行配準是指通過同名點計算全景影像與激光點5坐標變換的對應關系；
[0012]較佳地，步驟(4)中反射靶標的測區坐標是利用無合作目標全站儀測得的；局部坐標和測區坐標的變換關系是通過七參數方法計算獲得的。
[0013]較佳地，步驟(6)的具體步驟為:(61)依據分類后的彩色激光點云建立遙感解譯標志，遙感解譯標志包括危巖落石、節理裂隙構造、地層巖性；(62)依據彩色激光點云以人機交互的方式進行遙感識別，分別識別出危巖和落石，以及危巖和落石的空間位置、體積；(6 3)依據地面點類的彩色激光點云提取所識別出的危巖落石的信息,信息包括地層巖性、節理裂隙發育程度、裂隙類型、延伸長度、邊界和尺寸，并將所提取的危巖落石信息展繪到地形圖上。
[0014]較佳地，步驟(7)的具體步驟為:(71)給定要切取的橫斷面的中樁坐標及斷面線上除中樁外任意一點坐標，獲取橫斷面的文本文件:文本文件中每個橫斷面占據一行，每行第一列為中樁點的里程樁號，第二列為中樁點的東坐標，第三列為中樁點的北坐標，第四列為確定斷面方向偏移點的東坐標，第五列為確定斷面方向偏移點的北坐標；(72)依據橫斷面的文本文件，基于地面點類的彩色激光點云生成橫斷面，得到橫斷面的圖形文件；(73)將步驟(6)提取的危巖落石信息標注橫斷面圖形文件的橫斷面線上。
[0015]與現有技術相比本發明的方法通過在工點布設反射靶標，將所述反射靶標的兩套包括局部坐標和測區坐標聯系起來計算出測區坐標和局部坐標的變換關系，從而將測得的局部坐標系下的危巖落石區域的激光點云轉換到測區坐標系之下；對點云進行賦色，對賦色后的點云進行分類，基于分類后的彩色激光點云進行危巖落石的識別和提取工作。
[0016]本發明所述的方法具有如下優點:(I)精度高，對危巖落石處置設計指導性強。本發明方法可高精度的提取危巖落石信息，有利于對危巖落石的危險性進行評估，從而有效指導危巖落石處理措施的制定，消除安全隱患；(2)信息量豐富，可回溯性強。本發明方法可一次性獲取危巖落石工點的全息三維數據，信息量非常豐富，可隨時對數據進行回溯；
(3)效率高，勞動強度低。與傳統的人工調查方法相比，本發明方法將危巖落石調查方法從繁重的野外人工調查變成了室內解譯，提高了危巖落石調查的效率，大大降低了勞動強度。例如:采用人工調查方法調查一個復雜工點通常需要10-15天，而采用本發明方法外業采集需30-60分鐘，內業解譯需30-45分鐘；(4)安全性好，采用本發明方法無需調查人員攀爬陡峭的山坡，保證了調查人員的人身安全，同時對于運營的鐵路線也可安全調查。
[0017]本發明通過地面激光雷達這一先進的測繪新技術，實現危巖落石信息的準確提取，是一種基于地面激光雷達技術的山區地質災害勘察新方法。通過煤運通道(三門峽至荊門段)和新疆巴倫臺至伊爾根鐵路工程的實際應用，證明本發明方法行之有效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例流程圖；
[0019]圖2為本發明實施例彩色激光點云提取危巖落石信息；
[0020]圖3為本發明實施例危巖落石解譯成果展繪；
[0021]圖4為本發明實施例提取的帶有危巖落石信息的橫斷面線示例。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。
[0023]一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，包括如下步驟:
[0024]第一步，利用現有工程勘察資料確定危巖落石的分布區域作為工點；
[0025]根據工程勘察資料確定含有危巖落石的工點，主要包括:(I)工程預可行性和可行性研究及初步設計等階段收集的航、衛片；(2)工程技術人員現場踏勘和調查成果。通過對以上資料進行分析，在地形圖上圈定可能含有危巖落石的范圍，作為危巖落石工點。
[0026]第二步，數據采集:在工點布設反射靶標，用地面激光掃描儀對工點進行粗掃，用數碼成像設備獲取工點的全景影像；通過粗掃結果獲取危巖落石和反射靶標的位置，對危巖落石所在位置進行精掃獲取危巖落石所在位置的激光點云，對反射靶標所在位置進行精掃獲取反射靶標中心處的局部坐標，本實施例中粗掃是指按照0.5米的點間隔進行的掃描；精掃是指按照最終要求的點間隔進行的掃描，一般點間隔高于0.1米。具體步驟為:
[0027](21)在工點架設地面激光掃描儀，架設地點即為掃描站；
[0028]掃描儀選擇:目前市場上銷售的地面激光掃描儀按掃描方式可分為脈沖式和相位式兩大類。相位式地面激光掃描儀掃描距離一般在100米以內，而脈沖式地面激光掃描儀掃描距離較長，通常可達到500-1000米。由于危巖落石往往分布于高山區，人和儀器只能到達山腳，距離危巖落石通常還有幾百米的距離。因此宜選用掃描距離較長的脈沖式地面激光掃描儀，且掃描距離越遠越好。激光雷達只能獲取目標的三維坐標點云和強度信息，要想進行危巖落石提取，影像信息必不可少，因此必須選擇附帶數碼相機的激光掃描儀；
[0029]數據精度及密度設計:激光雷達掃描數據成果的平面精度優于0.1m,高程精度優于0.2m，激光點間隔小于0.lm，數碼影像地面分辨率高于0.05m ；
[0030]選擇架站位置時應當考慮工點的實際情況、掃描距離和角度，設定好架站后將掃描儀架在三腳架上，組裝好掃描儀，打開掃描儀，確定設備正常；
[0031](22)在掃描站的掃描范圍之內布設至少三個反射靶標；
[0032]地面激光掃描儀直接獲取的是局部坐標系的坐標，需要通過反射靶標將獲取的點云數據變換到鐵路工程建設所在的測區坐標系下，這里的反射靶標指的是一種具有高反射強度的特定形狀的標志。
[0033]反射靶標的布設須充分考慮測區的地形地貌形態，盡可能使反射靶標呈環形均勻布設，各個反射靶標與地面激光掃描儀之間的距離不同，一般來說均不超過100米，且各個反射靶標設置于不同的高度。
[0034]由于需要測量反射標靶在工程坐標系下的三維坐標，所以在掃描前，首先通過GPS和高程擬合技術在工點附近建立局部控制網，然后利用局部控制網對無合作目標全站儀進行定向，定向完成后，利用無合作目標全站儀測量反射靶標的測區坐標。
[0035](23)利用地面激光掃描儀對掃描站掃描范圍的工點區域進行粗掃得到粗掃點云;
[0036]同時利用數碼成像設備對工點進行旋轉拍攝，將旋轉拍攝所獲得的影像進行拼接得到工點的全景影像。
[0037](24)通過粗掃點云獲取危巖落石和反射靶標的分布位置；(25)對危巖落石所在位置進行精掃，獲取危巖落石所在位置的激光點云；(26)對反射靶標所在位置進行精掃，獲取反射靶標中心處的局部坐標。
[0038]當一個掃描站無法覆蓋整個工點時，用多掃描站方式，架設多個地面激光掃描儀使掃描的結果能覆蓋整個工點區域，重復上述步驟對工點進行數據采集直到覆蓋整個工點區域。
[0039]第三步，激光點云賦色:
[0040](31)在地面激光雷達數據處理軟件(如RiScanPro)中，以人機交互的方式選取至少三對激光點云與全景影像的同名點，同名點具體是指同一目標點在全景影像上的像點和激光點云中的激光點。
[0041](32)通過同名點對激光點云與全景影像進行配準，也即通過同名點計算全景影像與激光點云坐標變換的對應關系；
[0042](33)將全景影像中的顏色賦予激光點云得到彩色激光點云。
[0043]第四步，激光點云坐標變換，地面激光掃描儀直接獲取的是局部坐標系之下的激光點云數據，需要通過反射靶標將獲取的激光點云數據變換到鐵路工程建設所在的測區坐標系中，具體方法為:
[0044]利用無合作目標全站儀測得反射靶標的測區坐標；通過反射靶標的局部坐標和測區坐標，通過七參數方法計算出局部坐標和測區坐標的變換關系，利用變換關系將局部坐標系下的彩色激光點云轉換到測區坐標系下。
[0045]第五步，彩色激光點云分類，將測區坐標系之下的彩色激光點云分為初始點類、地面點類、植被類、人工構造物類和其他類五個類別，具體方法如下:
[0046](51)在TerraScan軟件中建立初始點云類(記為default類)、地面點類(記為ground類)、植被類(記為vegetation類)、構造物類(記為structure類)和其他類(記為other類)五個類別，將坐標變換后的彩色激光點云導入到default類中；
[0047](52)利用TerraScan軟件的分離高點和低點的功能,將地面以下和天空中的激光點從default類分到other類中；
[0048](53)利用TerraScan軟件的分離地面點功能，將地面點自動從default類分到ground類中。利用TerraScan軟件的分離植被點功能將植被點從default類分到vegetation 類中。
[0049](54)第(53)步分類的過程中，會將構造物點分到vegetation類中，利用TerraScan軟件的分離構造物的功能,將構造物點從vegetation類中分到structure類中；
[0050](55)人工對以上步驟分類后的激光點云進行多方向拉剖面檢查和高程渲染三維可視化檢查，同時參考相應的影像數據，對分類結果進行檢查、編輯和修改，確保點云正確的分到相應的類別中，保存最終分類后的點云。
[0051]第六步，危巖落石的識別和信息提取:基于分類后的彩色激光點云識別出危巖落石，基于地面點類的彩色激光點云提取危巖落石信息；具體步驟為:
[0052](61)依據分類后的彩色激光點云建立遙感解譯標志，遙感解譯標志包括危巖落石、節理裂隙構造、地層巖性；
[0053]基于彩色激光點云，建立危巖落石、節理裂隙構造、地層巖性等遙感解譯標志，其在彩色激光點云中主要表現如下:1)色調淺，亮度值高；危巖落石多發生在裸露的基巖區，植被不發育，反射率高，多呈淺色調，亮度值較高；2)落石多呈塊、粒狀，且具陰影；3)危巖因節理裂隙較發育，表面不平，具粗糙感。
[0054]同時只有滿足下列條件的巖體才是危巖落石:1)裸露的基巖區，植被不發育，且坡度陡峻，上陡下緩，坡面不平整；2)巖體節理、裂隙發育，結構面多張開，且存在深而陡的、平行于坡面的張裂隙；3)與母巖即將發生分離并對工程、生命財產構成威脅的巖塊或為已與母巖分離的巖石。
[0055](62)在三維點云瀏覽與編輯軟件(如TerraScan, RealfforksSurvey)中加載彩色激光點云，以人機交互的方式進行遙感識別，分別識別出危巖和落石，以及危巖和落石的空間位置和邊界。
[0056](63)依據地面點類的彩色激光點云提取所識別出的危巖落石的信息，信息包括地層巖性、節理裂隙發育程度、裂隙類型、延伸長度、邊界和尺寸，并將所提取的危巖落石信息展繪到地形圖上。
[0057]第七步，提取危巖落石處理設計橫斷面線:利用地面點類的彩色激光點云提取危巖落石處置設計所需的橫斷面，并將危巖落石信息標注在橫斷面線上，具體步驟為:
[0058](71)給定要切取的橫斷面的中樁坐標及斷面線上除中樁外任意一點坐標，獲取橫斷面的文本文件:文本文件中每個橫斷面占據一行，每行第一列為中樁點的里程樁號，第二列為中樁點的東坐標，第三列為中樁點的北坐標，第四列為確定斷面方向偏移點的東坐標，第五列為確定斷面方向偏移點的北坐標；
[0059](72)利用中鐵第四勘察設計院集團有限公司自主研發的RailwayLas軟件依據橫斷面的文本文件，基于地面點類的彩色激光點云生成橫斷面，得到CAD格式的橫斷面的圖形文件；
[0060](73)將步驟(6)提取的危巖落石信息標注橫斷面圖形文件的橫斷面線上，供涉及處理之用。
[0061]以上結合最佳實施例對本發明進行了描述，但本發明并不局限于以上揭示的實施例，而應當涵蓋各種根據本發明的本質進行的修改、等效組合。
【權利要求】
1.一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述方法包括如下步驟: (1)利用現有工程勘察資料確定危巖落石的分布區域作為工點； (2)數據采集:在所述工點布設反射靶標，用地面激光掃描儀對所述工點進行粗掃，用數碼成像設備獲取所述工點的全景影像；通過粗掃結果獲取所述危巖落石和所述反射靶標的位置，對所述危巖落石所在位置進行精掃獲取所述危巖落石所在位置的激光點云，對所述反射靶標所在位置進行精掃獲取所述反射靶標中心處的局部坐標； (3)激光點云賦色:選取至少三對所述激光點云與所述全景影像的同名點，通過所述同名點對所述激光點云與所述全景影像進行配準，并將所述全景影像中的顏色賦予所述激光點云得到彩色激光點云； (4)激光點云坐標變換:測得所述反射靶標的測區坐標，通過所述反射靶標的局部坐標和測區坐標，計算出所述局部坐標和所述測區坐標的變換關系，利用所述變換關系將局部坐標系下的所述彩色激光點云轉換到測區坐標系下； (5)彩色激光點云分類:將測區坐標系之下的所述彩色激光點云分為初始點類、地面點類、植被類、人工構造物類和其他類五個類別； (6)危巖落石的識別和信息提取:基于分類后的所述彩色激光點云識別出所述危巖落石，基于所述地面點類的所述彩色激光點云提取所述危巖落石信息； (7)提取危巖落石處理設計橫斷面線:利用所述地面點類的所述彩色激光點云提取所述危巖落石處置設計所需的橫斷面，并將危巖落石信息標注在橫斷面線上。
2.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(2)中是以單掃描站方式掃描所述工點，所述掃描站是所述地面激光掃描儀的架設地點，所述地面激光掃描儀架設在能夠掃描整個所述工點的位置。
3.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(2)中是以多掃描站方式掃描所述工點，所述掃描站是所述地面激光掃描儀的架設地點，架設多個所述地面激光掃描儀使掃描的結果能覆蓋整個所述工點區域。
4.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(2)中:在所述地面激光掃描儀的掃描范圍之內布設至少三個反射靶標，各個所述反射靶標呈環形均勻布設，各個所述反射靶標與所述地面激光掃描儀之間的距離不同，且設置于不同的高度。
5.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(2)中:利用數碼成像設備對所述工點進行旋轉拍攝，將旋轉拍攝所獲得的影像進行拼接得到所述工點的全景影像。
6.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(3)中:對所述全景影像和所述激光點云進行配準是指通過所述同名點計算所述全景影像與所述激光點云坐標變換的對應關系。
7.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于:所述步驟(4)中所述反射靶標的測區坐標是利用無合作目標全站儀測得的；所述局部坐標和所述測區坐標的變換關系是通過七參數方法計算獲得的。
8.根據權利要求1所述的一種基于地面 激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(6)的具體步驟為: (61)依據分類后的所述彩色激光點云建立遙感解譯標志，所述遙感解譯標志包括危巖落石、節理裂隙構造、地層巖性； (62)依據所述彩色激光點云以人機交互的方式進行遙感識別，分別識別出危巖和落石，以及所述危巖和所述落石的空間位置、體積； (63)依據所述地面點類的彩色激光點云提取所識別出的危巖落石的信息，所述信息包括地層巖性、節理裂隙發育程度、裂隙類型、延伸長度、邊界和尺寸，并將所提取的危巖落石信息展繪到地形圖上。
9.根據權利要求1所述的一種基于地面激光雷達技術的危巖落石調查方法，其特征在于所述步驟(7)的具體步驟為: (71)給定要切取的橫斷面的中樁坐標及斷面線上除中樁外任意一點坐標，獲取所述橫斷面的文本文件:所述文本文件中每個橫斷面占據一行，每行第一列為中樁點的里程樁號，第二列為中 樁點的東坐標，第三列為中樁點的北坐標，第四列為確定斷面方向偏移點的東坐標，第五列為確定斷面方向偏移點的北坐標； (72)依據所述橫斷面的所述文本文件，基于所述地面點類的彩色激光點云生成橫斷面，得到所述橫斷面的圖形文件； (73)將所述步驟(6)提取的危巖落石信息標注所述橫斷面圖形文件的橫斷面線上。
【文檔編號】G01S7/48GK103792542SQ201410047264
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月11日 優先權日:2014年2月11日
【發明者】李海亮, 馮光勝, 郭良浩, 劉善勇, 李東黎, 夏艷萍, 高山, 李仰波 申請人:中鐵第四勘察設計院集團有限公司
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