解决方案 | LiDAR技术基于DEM的地质灾害监测与分析

我国山地地形分布多,地形复杂,构造发育,是受地质灾害影响和危害最为严重的国家之一,特别是滑坡、崩塌、泥石流、地陷等不良地质灾害多有发生。三维激光雷达扫描技术能快速有效地获取地质构造及不良地质体三维信息,从而准确的确定其规模、空间位置和分布范围等。

什么是DEM?

数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM,是表示地面高程的一种实体地面模型,具体表现为一定范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集,它通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟。DEM可描述包括高程在内的各种地貌因子,如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布。

如何利用LiDAR技术生成DEM

LiDAR技术具有全天候观测、抗干扰强、能捕捉目标多种图像信息等优势,并可以在短时间内获取海量、高精度三维点云,这首先使快速、低成本、大面积的地面测量得以实现,其次满足了形变监测中由单点到面的监测。与此同时,利用LiDAR技术穿透植被,获得植被覆盖区下的地形数据并生成相应的高精度DEM,有助于开展地质灾害定性或定量分析。

我公司自主研发的LiDAR360激光雷达点云数据处理和分析软件,提供点云数据处理的一站式解决方案。软件支持海量点云的可视化及编辑、航带拼接、自动/半自动分类、数字模型生成及编辑、电力线、林业分析等一系列工作,支持多元数据格式导出。

利用LiDAR360生成DEM/DSM/等高线等地形产品的步骤如下:

图1 LiDAR360生成地形产品流程图

LiDAR360的地面点分类功能包括自动分类和手动分类两种方式。自动分类功能充分运用机器学习算法,将各个参数用默认值设为初始参数后,软件会根据加载数据的地形特点,在迭代计算过程中自动调整分类参数,输出最优的分类结果。

考虑到实际地形复杂多变,在利用地面点分类时,采用一套参数自动分类往往难以达到很好的分类效果,因此对于复杂地形在地面点云自动分类完成后,可以使用区域地面点分类工具手动对局部分类效果不理想的区域进行地面点分类,通过该工具逐个修改自动分类不太准确的地形,能够确保测区范围内地面点云数据的地形细节完整。另外,手动点云分类的过程中,可以同时打开点云窗口、TIN窗口、剖面窗口,三个窗口实时联动,方便在分类过程中更直观地查看分类效果。

如何基于DEM进行地质灾害分析

基于单期DEM的地质灾害与环境监测手段主要是将其与影像判读,以及坡度、坡向、曲率、粗糙度等地学因子地提取相结合,从而对地质灾害与环境起到提取、识别、定位、定性的作用。例如,借助山体阴影图及坡度和粗糙度图,能够准确地识别滑坡滑动的范围,并准确圈定出滑坡后缘、滑坡侧缘等滑坡要素。

结合多期DEM数据进行对比分析,基于差分结果可判断堆积区与侵蚀区,与影像及其他基础信息进行叠加,进而判断分析地表塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等区域,从而实现基于时间序列的地质灾害与环境定位、定量、定概率的动态监测的效果。

样例展示

图2 各类分类选择工具位置
通过分类后的地面点一键生成测区的DEM,并可对局部不满足要求的区域进行置平、平滑、修补、删除等修改编辑。

图3 按需对DEM进行编辑对比图
对局部不合理的DEM细节进行逐个修改后,输出最终成果DEM。
图4 最终DEM成果图
LiDAR技术可精确监测塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等表部变形情况,在变形监测中具有良好的应用前景。
图5 地质灾害动态监测效果图
北京数字绿土科技有限公司