基于三維激光掃描技術對災后滑坡的應急監(jiān)測

李鴻均 邱延林

（中國安能建設集團第三工程局有限公司，四川 成都611136）

1 概述

近年來，我國中西部地區(qū)接連出現(xiàn)特大滑坡事件，2019 年7 月23 日貴州六盤水水城縣發(fā)生特大山體滑坡，山體滑坡的危害受到很多因素的影響，對社會經濟和人身財產安全造成重大威脅[1]。在應急搶險救災過程中快速獲取該滑坡體地形數(shù)據(jù)，分析滑坡運動的變化特征，準確分析判斷滑坡的穩(wěn)定性，以保障救災人員的安全尤為重要。基于此，本文利用三維激光掃描技術對災后滑坡進行變形監(jiān)測，為分析該災后滑坡變形趨勢以及制定救援方案提供依據(jù)。

2 地面三維激光掃描技術

三維激光掃描技術[2]是一種非接觸式主動快速獲取物體表面三維密集點云技術，成為一種高時空分辨率三維對地觀測手段，通過主動獲取物體表面三維坐標（X、Y、Z）和一定屬性（反射強度等）的不規(guī)則空間分布的三維點云[3]。三維激光掃描儀（Riegl VZ-1000）是奧地利Riegl 公司具有全波形回波性能、實時全波形數(shù)字處理和分析技術的脈沖式掃描儀器，掃描距離范圍達到1400m，并在100m距離處精度為5mm。

三維激光掃描系統(tǒng)主要包括三維激光掃描儀、外接電源、高清數(shù)碼相機、筆記本電腦、充電器、電源線、網(wǎng)絡連接線、專業(yè)三腳架和配套RiSCAN PRO軟件[4]。如圖1 所示為Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀：

圖1 Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀

3 案例應用

2019 年7 月23 日21 時20 分許，雞場鎮(zhèn)坪地村岔溝組發(fā)生山體滑坡，由于持續(xù)降雨，山體含水量飽和出現(xiàn)土層崩塌易發(fā)生泥石流，并迅速轉化為高速碎屑流?；麦w橫向距離約為600m，縱向垂直距離約為500m，斜距約為1650m，滑坡體面積約40 萬m2，土方量大約200 萬m3。如圖2 為貴州水城7·23 特大滑坡現(xiàn)場。

圖2 貴州水城7·23 特大滑坡

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程。對貴州水城7·23 特大滑坡體點云數(shù)據(jù)的采集，采用Riegl VZ-1000 地面型三維激光掃描儀，采用固定單站坐標點的掃描方式，在同一位置對滑坡體進行多次掃描。在掃描時，以當天日期、前后期點云數(shù)據(jù)排序為數(shù)據(jù)命名的方式，進行點云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集工作。

本次掃描區(qū)域包含整個滑坡體，該滑坡體山體表面的雜草相對較少，減少了數(shù)據(jù)點云在采集過程中的干擾，也為數(shù)據(jù)的預處理提供了方便，提高了數(shù)據(jù)點云的精確性和可靠性。本次共采集滑坡體點云數(shù)據(jù)11 期，其中7 月25 日下午采集五次，間隔0.5 小時采集一次；7 月26 日采集4 次，間隔4 小時采集一次；7 月27 日采集2 次，間隔3 小時；直至搶險救災結束。

3.2 內業(yè)數(shù)據(jù)處理過程。滑坡體點云數(shù)據(jù)采集完后，利用RISCAN PRO軟件對采集的點云數(shù)據(jù)進行預處理。數(shù)據(jù)處理過程主要有：多站點云拼接、噪點處理、點云濾波、數(shù)據(jù)的提取輸出等。

（1）點云數(shù)據(jù)的拼接。在實地進行監(jiān)測時，還需要對掃描設備進行多視角、多站點的掃描，才能獲得完整的監(jiān)測區(qū)域三維點云數(shù)據(jù)。在后續(xù)的點云數(shù)據(jù)處理過程中，將地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)導入RISCAN PRO軟件中，將布設測站控制點的坐標導入軟件，導入時把測量坐標和掃描站點坐標一一對應，并注意坐標軸的轉換及儀器的高度。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)圖形確定北方向，然后進行粗拼，根據(jù)不同測站點的相同特征點進行粗拼，為了提高粗拼精度，一般選取拐角點、墻角點、標語處等明顯特征點進行拼接，粗拼接一般可達到厘米級精度。

（2）點云數(shù)據(jù)的濾波。點云數(shù)據(jù)濾波的目的是裁剪掉與所需滑坡體表面無關的點云。在點云數(shù)據(jù)獲取的過程中外界環(huán)境因素的影響、邊界阻塞、掃描目標的反射性差異和多路徑條件下，使點云數(shù)據(jù)產生離群點、孔洞以及噪點等。在點云中最常見的是離群點，指偏離其余觀測點而引起誤差的觀測值，主要表現(xiàn)為與鄰近區(qū)域有出入且不符合所處局部的幾何表面形態(tài)。點云粗差的存在會影響后續(xù)點云模型的建立和分析，因此點云數(shù)據(jù)濾波是點云預處理中必不可少的步驟。

在點云數(shù)據(jù)處理過程中，應根據(jù)實際情況對點云數(shù)據(jù)進行手動去噪等預處理。對原始數(shù)據(jù)采用手動編輯的方式去除明顯的噪點和孤點，手動選取特定的掃描監(jiān)測區(qū)域進行處理，即通過框選的命令把需要去除噪點的區(qū)域顯示，通過旋轉或平移從各個角度觀看點云數(shù)據(jù)，方便對噪點數(shù)據(jù)的去除，高效的去除無關的噪點，得到高質量的點云數(shù)據(jù)。然后采用點云濾波處理非地面點云，得到去除噪點后的滑坡點云數(shù)據(jù)。如圖3 為點云濾波前后的對比圖。

圖3 點云濾波前后對比圖

（3）點云數(shù)據(jù)的提取。將滑坡前后不同時段掃描的點云數(shù)據(jù)采用ICP 優(yōu)化算法統(tǒng)一拼接坐標后，對不同時段掃描的點云數(shù)據(jù)進行提取，提取的滑坡點云數(shù)據(jù)能夠真實反映滑坡的地表面特征狀態(tài)。

三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)是以*.RSP 的格式儲存在RiSCAN PRO軟件相應的文件下，并能夠導出多種數(shù)據(jù)文件格式，如：ASCII、XYZ、SVY、PTS、PTX、TXT 等，以及Auto CAD 的DXF 格式。最常用為TXT格式的點云本文數(shù)據(jù)文件，文本內的每一行內容都可以被作為一個結構體存貯在結構體的數(shù)組中，通過讀取*.txt數(shù)據(jù)中離散的三維點云坐標，導入三維建模軟件進行三維模型重建。

3.3 建立滑坡模型?；麦w點云仿真三維模型由點云生成的三維三角網(wǎng)來建立，其中在RiSCAN PRO軟件中進行點云預處理操作后，為了優(yōu)化滑坡模型的建模效果和精度，將數(shù)據(jù)導出為通用格式，在逆向工程軟件Geomagic Qualify 2013 中進行建模處理。在Geomagic Qualify 2013 中導入坐標點數(shù)據(jù)重建滑坡三角網(wǎng)模型。并且對三角網(wǎng)模型進行優(yōu)化，在軟件中進行三角網(wǎng)格的檢查和優(yōu)化，刪除拓撲錯誤的三角面，填充因數(shù)據(jù)缺失產生或之前刪除三角面產生的孔洞。填充時對于較小的孔洞選擇依曲率匹配到周圍網(wǎng)格，對于直徑超過10cm 的孔洞采取不填充操作，在后續(xù)的形變比較中作為不比較區(qū)域。為了便于滑坡體變形分析工作，對于滑坡表面散落的三角網(wǎng)進行簡化或刪除。

將前后兩期的點云數(shù)據(jù)建立高精度數(shù)字高程模型，在同一坐標系下，將前后兩期的DEM相減，可以高程變化得到整個滑坡監(jiān)測區(qū)域變化顯示。另外，通過RiSCAN PRO軟件導出滑坡體點云數(shù)據(jù)，到Auto CAD中生成剖立面圖、曲線圖、三維變形曲面圖來反應變形情況。如圖4 所示，為貴州水城滑坡體點云DEM模型。

圖4 貴州水城滑坡體DEM模型

4 滑坡體坡面分析

滑坡體的變形破壞及滑動產生的原因是由多方面的因素共同作用的結果，需要針對滑坡體進行監(jiān)測分析。根據(jù)前面對貴州省7·23 特大滑坡體分析，根據(jù)圖5（a）點云數(shù)據(jù)剖面圖現(xiàn)場所測得的滑坡的高程數(shù)據(jù)繪制如圖5（b）CAD滑坡體剖面圖。

圖5 滑坡體剖面圖

5 結論

綜上所述，三維激光掃描技術在災后滑坡應急監(jiān)測中的應用有著關鍵作用。三維激光掃描技術在滑坡監(jiān)測中的應用解決了傳統(tǒng)監(jiān)測人員難以到達的危險區(qū)域作業(yè)的缺陷。從外業(yè)采集、內業(yè)處理對多期點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼接、坐標轉換和配準等處理，然后通過對處理后的點云數(shù)據(jù)進行面狀變形的分析，證明了三維激光掃描技術應用在災后滑坡體安全監(jiān)測變形的有效性和可靠性。