基于三維激光掃描的危巖體清除治理設(shè)計(jì)

楊茂偉,王秀芬,張長(zhǎng)龍

(1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東省地礦工程勘察院,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

危巖體崩塌是地質(zhì)災(zāi)害的常見(jiàn)形式，對(duì)人口密集區(qū)域和工程施工威脅很大，國(guó)內(nèi)外許多崩塌案例都造成了巨大的損失，因此需要對(duì)其進(jìn)行加固或者清除。危巖體治理工作中設(shè)計(jì)至關(guān)重要。它提供的施工工藝、工程量和資金預(yù)算等數(shù)據(jù)，為業(yè)主做項(xiàng)目計(jì)劃和資金計(jì)劃提供依據(jù)，為施工單位施工實(shí)施提供依據(jù)和指導(dǎo)。

當(dāng)前危巖體野外調(diào)查測(cè)量多以全站儀、靜態(tài)GPS，RTK等方法來(lái)開(kāi)展工作。但是，由于地形條件的限制，尤其是高陡巖體崩塌，傳統(tǒng)的人工實(shí)地接觸式調(diào)查方法很難達(dá)到預(yù)期的效果[1]。此外，設(shè)計(jì)中工作量都是估算值，施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)工作量與實(shí)際工程量相差很大的情況。由于項(xiàng)目方案和資金計(jì)劃已經(jīng)審批，造成施工單位利潤(rùn)降低、業(yè)主追責(zé)等問(wèn)題出現(xiàn)。

為了解決存在的問(wèn)題，結(jié)合前人的探索示例，把三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在危巖體清除治理工作中，很好的解決了以上難題。該技術(shù)是在復(fù)雜地形和環(huán)境中以非接觸方式測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)并創(chuàng)建其實(shí)景三維模型,從而獲得被測(cè)體的空間幾何參數(shù)、地質(zhì)和影像等三維數(shù)據(jù)，為危巖體清除治理設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù)[2]。

1 國(guó)內(nèi)地面三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

單詩(shī)涵等[3]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)在四川漢源萬(wàn)工集鎮(zhèn)“7·27”災(zāi)后泥石流預(yù)測(cè)分析與綜合防治的研究中取得了良好的效果；黃姍等[4]結(jié)合具體項(xiàng)目分析了三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)滑坡中的應(yīng)用，成效顯著；汪燕麟等[5]結(jié)合魯?shù)榧t石巖堰塞湖滑坡體測(cè)量作業(yè)簡(jiǎn)述了如何將該技術(shù)在震后第一時(shí)間服務(wù)于災(zāi)區(qū)，對(duì)災(zāi)區(qū)大型滑坡區(qū)域進(jìn)行三維重建，精確測(cè)量其面積、體積等數(shù)據(jù)，并對(duì)其過(guò)程處理要點(diǎn)和方法進(jìn)行介紹分析。舒飛等[6]以2013年7月13日四川雅安市天全縣南部某地爆發(fā)特大規(guī)模泥石流地質(zhì)災(zāi)害為例，運(yùn)用地面三維激光掃描儀獲取此次泥石流滑坡高精度三維影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為搶險(xiǎn)救災(zāi)和災(zāi)后重建提供數(shù)據(jù)支撐。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

此外，董秀軍、黃潤(rùn)秋[7]結(jié)合工程實(shí)例，闡述應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)解決高陡邊坡調(diào)查中，關(guān)于邊坡快速編錄和巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)測(cè)量的原理與方法，由此可以看出該項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景和價(jià)值。周華偉[8]，邱俊玲[9]等都研究了三維掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用及取得豐碩的成果，有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 三維激光掃描儀在藥山危巖體清除治理中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

藥山位于濟(jì)南市天橋區(qū)新洋涓村東，面積約為3km2。北部緊鄰繞城高速和二環(huán)北路，南側(cè)距鐵路1km，東距洛口約4km，西距吳家堡約15km。危巖體災(zāi)害點(diǎn)位于藥山東側(cè)沿線一帶，坡底為新建學(xué)校。治理區(qū)域長(zhǎng)度約380m，寬度約180m，約0.06km2[注]山東省地礦工程勘察院，濟(jì)南市天橋區(qū)教育局天橋區(qū)藥山東側(cè)危巖體清除治理工程設(shè)計(jì)方案，2017年。。

藥山由巖漿巖構(gòu)成，巖性為輝石閃長(zhǎng)巖橄欖蘇長(zhǎng)巖，含橄蘇長(zhǎng)輝長(zhǎng)巖、橄欖輝長(zhǎng)巖等。形成危巖的主要原因是區(qū)內(nèi)巖石顆粒結(jié)構(gòu)屬于等粒結(jié)構(gòu)，具有塊狀構(gòu)造及多組節(jié)理裂隙，巖石不易溶解，因風(fēng)化致使巖體的完整性與力學(xué)強(qiáng)度降低，特別是表層巖石長(zhǎng)期受風(fēng)化、水蝕作用，使得巖石破碎，力學(xué)強(qiáng)度降低，是形成地質(zhì)災(zāi)害隱患的潛在因素[10]。在地震及暴雨等影響下，危巖體可能產(chǎn)生移動(dòng)，對(duì)下方的村民與房屋等產(chǎn)生威脅。為此，當(dāng)?shù)卣畬?duì)藥山開(kāi)展了危巖體崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計(jì)和治理工作[11]。

藥山危巖體清除治理設(shè)計(jì)采用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量，獲得治理區(qū)域的大數(shù)據(jù)量現(xiàn)狀地形，內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)得出詳細(xì)治理方案。

2.2 儀器設(shè)備及軟件

目前，市場(chǎng)主流的三維激光掃描儀性能上各有優(yōu)勢(shì),實(shí)際工作中選擇適合項(xiàng)目需要的儀器，項(xiàng)目外業(yè)部分選用具有測(cè)程遠(yuǎn)和植被濾除等功能的RIEGLVZ400i掃描儀實(shí)施掃描。采集數(shù)據(jù)1天，共掃描6站，每站采集約1300萬(wàn)點(diǎn)。內(nèi)業(yè)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、拼接、去植被、抽稀、提取、輸出、計(jì)算等處理，最終獲得治理范圍內(nèi)的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)。

2.3 作業(yè)方法

由于測(cè)區(qū)內(nèi)，地形起伏較大、植被茂密，通視條件和GPS信號(hào)均不好。掃描儀架站盡可能選在視野開(kāi)闊處，整體上覆蓋測(cè)區(qū)，局部盲區(qū)單獨(dú)設(shè)站得到測(cè)區(qū)全面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描距離采用長(zhǎng)短結(jié)合的方式。

用RTK接入SDCORS來(lái)測(cè)量標(biāo)靶中心坐標(biāo)。通過(guò)后處理軟件導(dǎo)入標(biāo)靶中心坐標(biāo)，直接完成點(diǎn)云測(cè)站拼接以及掃描點(diǎn)云坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

新建項(xiàng)目，設(shè)置掃描參數(shù)(掃描距離、掃描速度等)，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集，獲取周圍地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描中要求相近站點(diǎn)2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對(duì)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括：①點(diǎn)云處理：原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、去除噪聲、數(shù)據(jù)拼接、拼接精度計(jì)算、數(shù)據(jù)過(guò)濾、數(shù)據(jù)輸出；②輸出數(shù)據(jù)處理：去噪、提取線劃圖、線劃圖符號(hào)化、地形圖輸出。

2.4.1 點(diǎn)云處理

導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，用RISCAN PRO對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行特性匹配，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接[12]，利用選擇兩幅掃描圖像的公共點(diǎn)(至少3個(gè)公共點(diǎn))或者每站標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)站拼接[7]，接著軟件計(jì)算拼接精度，測(cè)站拼接精度0.61cm。然后可利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的標(biāo)志點(diǎn)(3個(gè))的坐標(biāo)，對(duì)拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的方位、位置完全一致[7]。

按以上步驟操作，得到整個(gè)測(cè)區(qū)的完整實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型(圖1)。對(duì)實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行植被過(guò)濾操作，得到測(cè)區(qū)地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行地形圖線劃和線劃圖輸出(圖2)。

圖1 整個(gè)測(cè)區(qū)三維模型

圖2 線劃提取

2.4.2 生成地形圖

將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS9.0軟件進(jìn)行圖符編輯，得到最后的測(cè)區(qū)現(xiàn)狀圖和平場(chǎng)標(biāo)高圖(圖3)。

1—疑似危巖體；2—臺(tái)階；3—涼亭；4—高程點(diǎn)；5—路燈；6—內(nèi)部道路圖3 測(cè)區(qū)地形圖

2.5 成果應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了工作區(qū)任意距離、面積、土石方量和地形斷面等多方面數(shù)據(jù)信息。

(1)三維模型輔助危巖體識(shí)別

基于預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行手動(dòng)任意建?；蛘咧悄茏詣?dòng)建模，獲得掃描區(qū)域精細(xì)三維模型。然后，再對(duì)所建三維模型進(jìn)行真彩色配準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)測(cè)區(qū)整體設(shè)計(jì)和規(guī)劃，通過(guò)相關(guān)算法輔助分析和識(shí)別危巖體情況，然后對(duì)各類危巖體從規(guī)模和滑動(dòng)形式進(jìn)行分類。通過(guò)識(shí)別，該工作區(qū)內(nèi)共有8處危巖體(表1)。

表1 崩落計(jì)算結(jié)果

(2)為危巖體穩(wěn)定性分析提供參數(shù)，以五號(hào)危巖體為例，如圖4所示。

圖4 五號(hào)危巖體實(shí)景圖

五號(hào)危巖體由一組多塊危巖體組成，由原有基巖風(fēng)化開(kāi)裂形成，并沿地形坡度向北東方向發(fā)展，形狀不規(guī)則。其面積66.4m2，體積55.6m3。北東方向傾靠在下部巖石上，母巖坡面角度約32°。危巖體所在坡面傾向NE6°，坡面角度21°～32°，坡面高差約為39.0m，五號(hào)危巖體體積計(jì)算如圖5所示。

圖5 五號(hào)危巖體體積計(jì)算圖

在風(fēng)化、地震及強(qiáng)雷電等外力作用下，危巖體可能失穩(wěn)，形成危巖地質(zhì)災(zāi)害，危害下方學(xué)校安全。從危巖體運(yùn)動(dòng)形式分析，其類型為滑動(dòng)型危巖，其下方適當(dāng)位置應(yīng)設(shè)置剛性安全防護(hù)。

傳統(tǒng)方法地質(zhì)剖面主要是實(shí)測(cè)或在地形圖中切取。而崩塌危巖體，山高、坡陡，一般不具備實(shí)測(cè)的可能；在地形圖中切取剖面，受地形圖的精度影響較大，且不能反映出負(fù)地形的存在。點(diǎn)云數(shù)據(jù)逼近原型，是實(shí)物的真實(shí)反應(yīng)，從中切取剖面圖[13]，其精度高，誤差遠(yuǎn)小于常規(guī)測(cè)量，并且能將凹巖腔等負(fù)地形展現(xiàn)出來(lái)，可以導(dǎo)出CAD及其它主流軟件能編輯的格式，不僅能對(duì)任意位置的剖面進(jìn)行切取，還能通過(guò)指定間距，進(jìn)行多個(gè)平行剖面的連續(xù)切取[14]。這也是傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)的成果，將有助于穩(wěn)定性分析和破壞模式的劃分[15](五號(hào)危巖體所在位置剖面見(jiàn)圖6)。

圖6 五號(hào)危巖體所在位置剖面

以上分析中相關(guān)區(qū)域的位置、距離、面積、體積、角度和高差等數(shù)據(jù)直接在三維實(shí)景模型中量取。尤其是三維激光掃描的海量高程數(shù)據(jù)可以使危巖體方量計(jì)算的方格網(wǎng)由米級(jí)精度提高到厘米級(jí)，使方量計(jì)算精度得到極大的提高[16]。

根據(jù)規(guī)范、相關(guān)規(guī)定和危巖體的堆存現(xiàn)狀、形成機(jī)理及影響因素綜合分析，目前五號(hào)危巖體處于平衡狀態(tài)，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，隨著風(fēng)化作用加劇，特別是在遭受地震或雷擊等外力影響后極易失穩(wěn)，從而產(chǎn)生危巖崩塌災(zāi)害。

根據(jù)格列其謝夫公式計(jì)算落石崩落距離(圖7)。

式中：α—邊坡坡角(°)；H—坡高(m)。

圖7 落石崩落距離簡(jiǎn)圖

經(jīng)計(jì)算可知，5號(hào)危巖體崩落距離如表2：

表2 危巖體崩落距離計(jì)算

以上距離和斷面參數(shù)均可在三維模型中量取，從而取代傳統(tǒng)靠羅盤和皮尺現(xiàn)場(chǎng)量取崩落參數(shù)的方法；標(biāo)高、邊坡坡腳和坡高等參數(shù)可由三維模型形成的斷面圖獲得，從而分析出危巖體穩(wěn)定性(表3)。

表3 危巖體穩(wěn)定性分析

(3)輔助工程量精確計(jì)算

危巖體清除治理設(shè)計(jì)除了設(shè)計(jì)參數(shù)外，工作量計(jì)算和資金預(yù)算也非常重要。原先設(shè)計(jì)人員都是估算，一般都是預(yù)算比實(shí)際投入大很多，給業(yè)主造成資金浪費(fèi)。采用三維激光掃描技術(shù)輔助工程量計(jì)算可以使工程量精確到1%平方米和立方米，預(yù)算額可以做到精準(zhǔn)控制(表4)。

表4 危巖體清除治理工程量總概算表

3 結(jié)語(yǔ)

崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理在防災(zāi)減災(zāi)、恢復(fù)地質(zhì)環(huán)境的同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生明顯的社會(huì)效益、環(huán)境效益，同時(shí)也產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[17]。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到對(duì)危巖體的測(cè)繪設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益探索與創(chuàng)新，極大提高工作效率的同時(shí)，也提高了危巖體治理與設(shè)計(jì)的精度。更可利用掃描采集的數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究，為滑坡災(zāi)害的防護(hù)提供寶貴的研究資料，將其各種效益最大化。

三維激光掃描技術(shù)是“繼GPS技術(shù)后又一測(cè)繪技術(shù)創(chuàng)新”[18]，具有快捷、方便、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全數(shù)字化、高精度、測(cè)量方式靈活、非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，三維掃描提供了危巖體的體積、位置、尺寸、方位和其所在位置的坡度等詳盡的參數(shù)，為設(shè)計(jì)分析危巖體穩(wěn)定性，計(jì)算施工工程量和預(yù)算提供了精確的依據(jù)。

地面三維激光掃描技術(shù)在我國(guó)尚處于初始階段，尤其在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)尚且不齊全，今后需要不斷規(guī)范和完善。