三維激光掃描技術(shù)在閻家溝滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

薛 強，畢俊擘，李政國,黃玉華

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054)

0 引言

三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件控制平臺、數(shù)據(jù)處理平臺及電源和其它附件設(shè)備共同構(gòu)成，是一種集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段[1-2]。三維激光掃描技術(shù)具有非接觸測量、高采樣率、高分辨率、高精度、數(shù)字化采集等技術(shù)優(yōu)點，運用三維激光掃描技術(shù)，可以直接進行滑坡體三維實景數(shù)據(jù)的完整采集，從而快速的構(gòu)建滑坡體的三維模型，通過多期次的觀測，即可實現(xiàn)對滑坡體三維變形監(jiān)測[3-7]。

采用三維激光掃描技術(shù)可對大范圍內(nèi)滑坡的發(fā)生、動態(tài)過程進行全面的監(jiān)測。Guido Ventura等[8]提出了一種利用多期激光雷達數(shù)據(jù)進行滑坡演化分析的方法，O.Dewitte等[9]利用多期DTM結(jié)合立體攝影測量和激光雷達對比利時西部Leupegem山的典型滑坡從1952～2002年的垂直位移和水平位移進行了分析。本次研究以延安市子長縣閻家溝滑坡為對象，利用三維激光掃描的方法，分別建立不同時期的DEM，分析計算滑坡在不同時期的地表變形，為滑坡災(zāi)害的防治提供參考。

1 閻家溝滑坡概況

閻家溝滑坡位于延安市子長縣安定鎮(zhèn)馬河川流域張家渠村，地理坐標(biāo)：東經(jīng)109°24′19.9″，北緯37°06′13.6″。閻家溝滑坡是黃土-基巖接觸面大型老滑坡，滑坡前后緣發(fā)育多條拉張裂縫，處于蠕動變形階段，穩(wěn)定性差，危險程度大，威脅閻家溝自然村60余人的生命財產(chǎn)安全。

滑坡體在平面上呈近似半橢圓形，滑坡主滑方向246°，長350 m，寬420 m，平均厚26 m，體積382.2×104m3。滑坡區(qū)原始坡度較平緩，平均坡度約27°。在剖面上，滑坡體呈階梯狀向河谷降落，整體坡度25°。滑坡區(qū)地層巖性為上覆中、晚更新統(tǒng)黃土，下伏基巖為中侏羅統(tǒng)安定組砂巖、泥頁巖?；轮黧w發(fā)育于中、晚更新統(tǒng)黃土中，滑坡體上部主要為粉質(zhì)黏土，由中、晚更新統(tǒng)黃土堆積體組成。

2002年7月4～5日，子長發(fā)生特大暴雨，滑坡后緣出現(xiàn)長約300 m、寬10～20 cm的裂縫，坡體沿著裂縫發(fā)生下滑、錯動，北側(cè)下錯約35 cm，南側(cè)下錯約70 cm。滑體上窯洞頂面、窯面、炕頭等多處均出現(xiàn)拉張裂縫，最長者達63 cm。2005年7月，滑體前部耕地出現(xiàn)一條寬約30 cm的橫向裂縫，雨水的大量入滲，造成滑體前部不斷向溝谷蠕動、塌方，表部樹木形成“馬刀樹”，部分根部被拉裂形成“人”字型(圖1)?；w前部蠕動、垮塌，不斷牽引后部滑體下錯、前移，變形特征明顯[10]。2013年7月延安發(fā)生有氣象記錄以來最強降雨，滑坡前部右側(cè)發(fā)生下滑錯動，損壞通往張家渠村的公路，公路路面拉張變形嚴(yán)重。

圖1 閻家溝滑坡前緣被拉裂樹木2007年和2012年位置對比Fig.1 Position comparison of scissors tree in Yanjiagou Landslide front in 2007 and 2012

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集包含現(xiàn)場踏勘、布設(shè)埋石永久點、GPS控制測量、圖根點布設(shè)、圖根點測量、三維激光掃描、數(shù)據(jù)整理拼接、現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢查等內(nèi)容。

本次掃描采用RIEGL VZ-400三維激光掃描儀，掃描距離：600 m；掃描精度：2 mm；激光發(fā)射頻率：300,000點/秒；掃描視場范圍：100°×360°(垂直×水平)。GPS觀測采用Trimble GPS-5700雙頻接收機，標(biāo)稱精度為5 mm+1 ppm。

閻家溝滑坡掃描面積500 m×800 m，共掃描10站，埋設(shè)2個永久觀測點。第1期掃描時間為2012年6月27日，第2期掃描時間為2012年10月31日，第3期掃描時間為2013年10月20日。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要包括點云拼接、過濾數(shù)據(jù)和植被去除等過程。

(1)點云拼接

點云拼接是點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵，需要將各站點掃描得到的多景數(shù)據(jù)拼接成一個整體，點云數(shù)據(jù)拼接在RiSCAN PRO掃描數(shù)據(jù)處理軟件中進行。借助GPS在獨立坐標(biāo)系中實地測量控制點的坐標(biāo)，將GPS控制測量觀測的坐標(biāo)點輸入點云數(shù)據(jù)，把各個站點的局部坐標(biāo)統(tǒng)一到一個固定的坐標(biāo)系中，實現(xiàn)多個角度掃描的多視點數(shù)據(jù)合成一個完整的三維邊坡。

(2)數(shù)據(jù)過濾

三維激光掃描過程中會產(chǎn)生大量的點云數(shù)據(jù)，包括點云中的噪音點。點云數(shù)據(jù)過濾的目的是降低點云密度，同時過濾點云數(shù)據(jù)中的噪音點，減少數(shù)據(jù)量，提高后期建模與運算速度。點云過濾只是對掃描的雜點進行了剔除，并未對數(shù)據(jù)進行修改，也未降低數(shù)據(jù)精度。

(3)植被去除

三維激光掃描點云數(shù)據(jù)不僅包括地表信息，還包括地表以上的植被等信息。使用RiSCAN PRO掃描數(shù)據(jù)處理軟件中的植被去除功能，將地表以上的植被進行過濾，本次使用“Filter data”工具，選擇0.2 m范圍內(nèi)取最低點的方法過濾植被，過濾后的掃描數(shù)據(jù)僅有地表信息，以消除植被對后期構(gòu)建DEM模型的影響。

2.3 DEM模型生成

經(jīng)過噪點過濾和植被去除的點云數(shù)據(jù)僅有地表信息，用RiSCAN PRO掃描數(shù)據(jù)處理軟件中的“Plane triangulation”功能，將點云數(shù)據(jù)構(gòu)建為三角網(wǎng)(TIN)。在建立的三角網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，使用“Create new section objects”工具，生成等高線。為方便后期在ArcGIS等軟件平臺下對滑坡體進行變形分析等運算，將以上生成的DEM模型(TIN和等高線)，導(dǎo)出為DXF或其它格式文件。

3 滑坡變形分析

利用以上建立的不同時期的點云及DEM數(shù)據(jù)，以ArcGIS為平臺，對閻家溝滑坡3期數(shù)據(jù)之間的變形情況進行分析。

3.1 DEM變形分析

通過去除植被后得到一期(2012-06-27)DEM模型如圖2a，二期(2012-10-31)DEM模型如圖2b，三期(2013-10-20)DEM模型如圖2e。

對閻家溝滑坡一期和二期的DEM數(shù)據(jù)進行疊加分析，用一期DEM數(shù)據(jù)減去二期DEM數(shù)據(jù)，得到滑坡體2012年6月27日和2012年10月31日的高差值(圖2c)，其中正值表示高程減小，為滑坡的下滑區(qū)，負(fù)值表示高程增大，為滑坡的堆積區(qū)。從2012年6月27日到2012年10月31日，滑坡體主要表現(xiàn)為局部下滑錯動，高程最大下降值為0.5 m。

對閻家溝滑坡二期和三期的DEM數(shù)據(jù)進行疊加分析，用二期DEM數(shù)據(jù)減去三期DEM數(shù)據(jù)，得到滑坡體2012年10月31日和2013年10月20日的高差值(圖2f)。從2012年10月31日到2013年10月20日，滑坡體主要表現(xiàn)為前緣大范圍滑動，滑坡最大下錯位移為1.2 m，主要是由2013年7月延安地區(qū)極端降雨誘發(fā)。

圖2 基于DEM的閻家溝滑坡變形分析Fig.2 Deformation analysis of Yanjiagou Landslide based on DEM

3.2 點云剖面生成及分析

除通過DEM模型對滑坡進行變形分析之外，還可通過點云切剖面方法對滑坡局部進行更高精度的變形分析。對閻家溝滑坡前緣的一期和二期點云數(shù)據(jù)進行疊加(圖3)，并對局部位置切剖面，得到滑坡體在此剖面位置的變形分析結(jié)果(圖4)。從圖4可以看出，從2012年6月27日到2012年10月31日，滑坡前緣局部位置有較為明顯的下沉現(xiàn)象，中部位置變形量為0.25 m，前緣部位變形量為0.50 m。

圖3 閻家溝滑坡前緣一期和二期點云數(shù)據(jù)疊加Fig.3 Superposition of phase 1 and 2 point clouds in Yanjiagou Landslide front

圖4 閻家溝滑坡前緣一期和二期點云剖面變形分析結(jié)果Fig.4 Deformation analysis result of profiles of phase 1 and 2 point clouds in Yanjiagou Landslide front

同時對閻家溝滑坡二期和三期點云數(shù)據(jù)進行疊加并生成剖面，得到滑坡體在此剖面位置的變形分析結(jié)果(圖5)。可以看出，滑坡體在此期間的變形較大，前緣大部分位置均有下陷及滑移現(xiàn)象。2013年7月極端降雨導(dǎo)致滑體前部蠕動、垮塌，不斷牽引后部滑體下錯、前移，變形特征明顯，損壞通往張家渠村的柏油公路，公路路面下陷變形嚴(yán)重(圖6)?；虑熬壒愤吰露缚蚕蚯盎谱冃瘟?.55 m，公路路面下陷變形量0.65 m(圖7)。

圖5 閻家溝滑坡前緣二期和三期點云剖面生成及分析Fig.5 Generation and analysis of profiles of phase 2 and 3 point clouds in Yanjiagou Landslide front

圖6 閻家溝滑坡前緣公路下陷變形Fig.6 Road subsidence deformation in Yanjiagou Landslide front

圖7 閻家溝滑坡前緣公路點云位移變化分析Fig.7 The point cloud displacement in Yanjiagou Landslide road

3.3 滑坡特征點變形分析

閻家溝滑坡前緣由于雨水的大量入滲，造成滑體前部不斷向溝谷蠕動、塌方，表部樹木形成“剪刀樹”，部分根部被拉裂形成“人”字型(圖8)。以滑坡前緣“剪刀樹”為例，對滑坡特征點掃描數(shù)據(jù)進行疊加分析，結(jié)果表明，在2012年06月27日到2012年10月31日的4個月時間內(nèi)，滑坡前緣被拉裂“剪刀樹”的位移為0.5 m(圖9)。

圖8 滑坡前緣樹木被拉裂形成“剪刀樹”Fig.8 The tree is torn to form a “scissors tree” in Yanjiagou Landslide front

圖9 滑坡前緣“剪刀樹”點云位移情況Fig.9 Displacement of point clouds of scissors tree in Yanjiagou Landslide front

4 結(jié)論

(1)三維激光掃描技術(shù)具有非接觸測量、高采樣率、高分辨率、高精度、數(shù)字化采集等技術(shù)優(yōu)點，采用三維激光掃描技術(shù)可對大范圍內(nèi)滑坡的表部變形情況進行全面的監(jiān)測，具有較高的精度及簡單的技術(shù)流程。

(2)運用三維激光掃描技術(shù)，通過多期次觀測，實現(xiàn)了對子長縣閻家溝滑坡的變形監(jiān)測。通過點云拼接、數(shù)據(jù)過濾、植被去除等手段，獲取了滑坡體不同時期的DEM數(shù)據(jù)，并基于多期DEM進行了滑坡整體變形分析，從2012年6月27日到2012年10月31日，滑坡體主要表現(xiàn)為局部下滑錯動，高程最大下降值為0.5 m；從2012年10月31日到2013年10月20日，滑坡體主要表現(xiàn)為前緣大范圍滑動，滑坡最大下錯位移為1.2 m。通過多期點云數(shù)據(jù)的疊加及切剖面，分析了滑坡局部及特征點的變形情況，滑坡局部位置變形量從0.25 m到0.65 m不等。

(3)滑坡的發(fā)生具有不確定性，三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展為滑坡的變形監(jiān)測提供了一種新的解決方案，在滑坡的精細(xì)化監(jiān)測及應(yīng)急監(jiān)測中具有良好的應(yīng)用前景。