基于三維激光掃描技術(shù)的滑坡監(jiān)測預(yù)警研究

覃 事 河

(國電大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川 阿壩 624100)

0 引 言

滑坡是水利水電工程建設(shè)中分布面廣、發(fā)生頻繁、產(chǎn)生條件復(fù)雜、作用因素眾多、發(fā)生與運動機(jī)理復(fù)雜多變、預(yù)測困難、治理昂貴的地質(zhì)災(zāi)害，幾乎所有的水利水電工程建設(shè)期間或電站運行期都或多或少發(fā)生過滑坡。據(jù)有關(guān)資料顯示[1]，全國有近千座水電站及數(shù)百座水庫受到崩塌、滑坡和泥石流災(zāi)害的嚴(yán)重威脅，且隨著西南水力資源的逐步開發(fā)與利用，在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境與大規(guī)模的工程活動、水庫蓄水及暴雨等復(fù)雜條件下，可能會有大量的松散堆積斜坡發(fā)生變形甚至失穩(wěn)；同時，水電站建成后形成的高壩深庫帶來的水庫塌岸問題也十分常見，誘發(fā)新的崩塌和滑坡或使古滑坡復(fù)活的現(xiàn)象可能存在[2-3]。在這種情況下，監(jiān)測預(yù)警工作就顯得尤為重要，而傳統(tǒng)監(jiān)測手段是單點式監(jiān)測，監(jiān)測點數(shù)量有限，難以發(fā)現(xiàn)無監(jiān)測點區(qū)域的變形情況，且現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)施一旦破壞會嚴(yán)重影響監(jiān)測成果的連續(xù)性，因此，亟待尋求一種新技術(shù)、新方法、新手段來解決復(fù)雜地質(zhì)條件下滑坡體的預(yù)測預(yù)警工作，以克服傳統(tǒng)監(jiān)測手段在技術(shù)上布點難度大、測量點具有離散性、數(shù)據(jù)分析具有局限性等諸多不足。

1 三維激光掃描技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對傳統(tǒng)監(jiān)測手段的局限性，學(xué)者們和工程人員基于三維激光掃描技術(shù)做了大量理論研究，并在工程領(lǐng)域得到了一定推廣和應(yīng)用，其行業(yè)涉及測繪、交通、礦山、林業(yè)等，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋地形測量、地質(zhì)測繪、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、文物保護(hù)及安全監(jiān)測等，如張靖等[4]通過實驗將三維激光掃描儀用于地形測量，實驗結(jié)果表明三維激光掃描儀的精度滿足地形圖測量需要；胡磊等[5]通過三維激光掃描儀快速獲取突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的地形數(shù)據(jù)，驗證了三維激光掃描技術(shù)在測繪方面具備方便、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點；董秀軍等[6]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中，開展了巖體地表出露結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)幾何參數(shù)調(diào)查和開挖工作面的快速地質(zhì)編錄等工作；黃江等[7]討論了三維激光掃描技術(shù)在水電站高邊坡危巖體調(diào)查中的工作思路及應(yīng)用效果，表明其在危巖調(diào)查中的應(yīng)用價值和前景；簡銳敏[8]以廣佛肇高速公路鼎湖山隧道監(jiān)測項目為例，通過三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測方法對比分析，說明了三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢；徐進(jìn)軍等[9]通過對實驗室滑坡模型和三峽庫區(qū)某現(xiàn)場滑坡的變形監(jiān)測，引入三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析與實際測量，獲得了初步滿意的結(jié)果；陳致富等[10]對三維激光技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，討論并分析了三維激光掃描系統(tǒng)在基坑監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題。

近年來，《水電工程三維激光掃描測量規(guī)程(NB/T 35109-2018)》進(jìn)一步規(guī)范了三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)備、控制測量、機(jī)載激光雷達(dá)掃描、地面激光掃描、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字產(chǎn)品制作、成果驗收與提交，形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；《地質(zhì)災(zāi)害地面三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)規(guī)程(試行)》(T/CAGHP 018-2018)的發(fā)布，也在規(guī)范地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中獲取崩塌和滑坡表面變形信息的作業(yè)方法和技術(shù)要求、保證檢測數(shù)據(jù)精度和成果質(zhì)量、提高新技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用水平等方面發(fā)揮了作用，將三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用推向新高度。盡管該技術(shù)已應(yīng)用到工程測量、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、安全監(jiān)測等各領(lǐng)域，但水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警手段仍多為傳統(tǒng)監(jiān)測手段，自動化程度普遍不高?；诖耍疚囊晕髂系貐^(qū)大渡河猴子巖水電站庫區(qū)大型滑坡體為工程實例，采用三維激光掃描技術(shù)對分布有大量危巖體與孤石群的整個巖質(zhì)滑坡體進(jìn)行三維激光掃描監(jiān)測，以期指導(dǎo)滑坡預(yù)警工作。

2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的全新的測繪技術(shù)，是繼GNSS技術(shù)之后測繪領(lǐng)域又一次技術(shù)革命。它在技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點變形觀測模式限制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集方式從傳統(tǒng)的“點測量”變?yōu)椤懊鏈y量”。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、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，是一種將多種高新技術(shù)集于一體的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段。三維激光掃描儀自身主要由激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成，有些新型儀器還集成了內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、GPS接收機(jī)、WLAN天線設(shè)備、CCD和校正系統(tǒng)。三維激光掃描儀根據(jù)掃描設(shè)備數(shù)據(jù)采集實施的空間可以分為機(jī)載型、地面型、手持型、特殊型四類；其中，地面型又分為移動式激光掃描系統(tǒng)和固定式激光掃描系統(tǒng)[11]。

激光掃描系統(tǒng)直接獲取的觀測數(shù)據(jù)包括角度信息、距離信息和強(qiáng)度信息，其中角度信息即兩個用來反射脈沖激光的反射鏡的角度值，分別是水平方向角α和豎直方向角θ；距離信息為通過脈沖激光傳播的時間(或相位差)計算得到儀器到掃描點的距離值S；強(qiáng)度信息為掃描點的反射強(qiáng)度I。三維點云數(shù)據(jù)點的三維坐標(biāo)值可通過獲取的角度信息和距離信息計算得到，強(qiáng)度信息一般用來給反射點賦予顏色。三維激光掃描測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，儀器中心為坐標(biāo)原點，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，通過公式[10]可計算得到三維激光腳點P坐標(biāo)。

3 三維激光掃描技術(shù)在水電工程滑坡監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

3.1 猴子巖水電站滑坡體概況

滑坡體沿大渡河猴子巖水電站庫區(qū)的省道211復(fù)建公路長約480 m，頂部高程為2 080 m，底部高程分析在正常蓄水位以下，總體積約450萬m3?；麦w淺表部為崩坡積塊碎石土，后緣及公路附近基巖裸露。高程2 080 m以上的天然坡度約為45°～51°，植被稀疏；高程2 080 m以下一般為33°～40°，植被發(fā)育。滑坡體下游部分為一突出山脊，溝梁相間，地形極不完整，下游側(cè)沖溝切割相對較深，溝槽切割5 ～12 m，溝內(nèi)有崩坡積塊碎石；滑坡體上游部分側(cè)沖溝切割不明顯，為一相對淺凹槽地形，地形相對較完整?；麦w上部為崩坡堆積層，基巖巖性為綠片巖夾千枚巖，公路附近基巖走向與該庫段坡向基本一致，為順向邊坡。微新綠片巖、千枚巖為較軟巖，強(qiáng)風(fēng)化或強(qiáng)卸荷綠片巖、千枚巖多為軟巖?；麦w表面有多處危巖體或孤石群分布，其中最大孤石40 m×10 m×15 m，旁側(cè)地表見多條裂縫，裂縫延伸至大孤石底部。孤石群總方量約15萬m3?；路秶疽鈭D與危巖體實體圖見圖1。

圖1 滑坡范圍示意圖與危巖體實體圖

3.2 三維激光掃描點云數(shù)據(jù)獲取與處理

本項目中，由于滑坡體表面分布有大量危巖體或孤石群，同時考慮到巖質(zhì)滑坡體失穩(wěn)的突發(fā)性與破壞性，采用了三維激光掃描儀對包括危巖體或孤石群在內(nèi)的整個滑坡體區(qū)域掃描獲取三維點云數(shù)據(jù)。采用儀器是奧地利瑞格公司生產(chǎn)的高精度RIGEL VZ-400三維激光掃描儀，該掃描儀是一款使用近紅外激光束快速掃描機(jī)制獲取三維點云數(shù)據(jù)的儀器，基于RIGEL獨一無二的數(shù)字化全回波技術(shù)和實時全波形數(shù)字化處理分析，即使在惡劣的環(huán)境下也能完成測量工作，其主要技術(shù)參數(shù)為測程600 m，單次測量掃描精度3 mm，測量速度300 000點/秒(發(fā)射)、125 000點/秒(接收)，激光點精度0.3 mrad，垂直方向掃描范圍-40°～60°，水平方向掃描范圍0°～360°。掃描方式為沿省道復(fù)建公路自下游往上游依次架站掃描，累計布設(shè)測站20個，通過從滑坡體外圍兩側(cè)向中間交匯并在局部區(qū)域補(bǔ)充測點的方式完整覆蓋滑坡區(qū)域。原則上，每7天對滑坡區(qū)域全方位掃描一次，加速變形階段加密監(jiān)測頻次。

在完成野外掃描工作后進(jìn)行點云數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時進(jìn)行濾波以刪除由于被測物體表面的粗糙度、波紋及其他一些表面缺陷或是掃描儀器本身性能等因素導(dǎo)致的噪聲點[12]。同時，一并剔除對監(jiān)測工作無意義的植被及異常點。三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理效果圖見圖2。

將不同時間段的三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行對比[13]，結(jié)果表明：滑坡區(qū)域外的參照物(如頂部鐵塔等不動區(qū)域)完全吻合，說明三維激光掃描監(jiān)測精度滿足邊坡三維變形監(jiān)測分析要求。采用三維網(wǎng)格重建技術(shù)，對三維掃描點云進(jìn)行三維模型重建，利用空間差值算法對兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理。

3.3 監(jiān)測成果分析

2018年1月27日，1月31日，2月3日工作人員連續(xù)開展了三維激光掃描監(jiān)測。通過對比分析，1月27日至1月31日期間，滑坡體最大變形區(qū)域位于后緣2 080 m高程處，表現(xiàn)出明顯的沉降變形，變形值達(dá)110 mm；滑坡體中下部變形較小，表現(xiàn)出明顯的指向河谷側(cè)變形，變形值在0～30 mm之間；山體下部變形值在60 mm左右，同樣表現(xiàn)出明顯的指向河谷側(cè)變形。1月31日至2月3日期間，滑坡體整體變形量值較1月27日至1月31日期間有明顯增加，最大變形區(qū)域仍位于滑坡后緣2 080 m高程處，同樣表現(xiàn)出明顯的沉降變形，變形值達(dá)270 mm；滑坡體中下部也出現(xiàn)較大變形，表現(xiàn)出明顯的指向河谷側(cè)變形，變形值在0～60 mm之間；山體下部變形值在90 mm左右，同樣表現(xiàn)出明顯的指向河谷側(cè)變形。根據(jù)上述三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合滑坡體專項應(yīng)急預(yù)案要求，滑坡體部分測點日變形量超過一級預(yù)警值50 mm，建設(shè)單位立即發(fā)出了危險預(yù)警并啟動了一級預(yù)警響應(yīng)，全面封鎖交通。2月10～14日，滑坡體整體下座，下座高度近20 m，未造成任何傷亡事件。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理效果圖

滑坡體整體滑移后的首次三維激光掃描時間為2018年3月25日，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，1月27日至3月25日期間，該滑坡體經(jīng)歷了復(fù)雜的大變形過程，這與現(xiàn)場實際發(fā)生的情況一致。3月26日至6月21期間變化率較小，但整個滑坡區(qū)域仍可分為破壞較嚴(yán)重的下游I區(qū)與破壞程度相對較輕的上游II區(qū)，I區(qū)后緣與側(cè)緣滑面基本貫通，上游II區(qū)后緣大部分貫通，側(cè)緣靠上游側(cè)未貫通?；麦w整體滑移后，原始邊坡遭到破壞，邊坡形態(tài)發(fā)生改變，與滑坡體現(xiàn)狀高度吻合。同時，根據(jù)三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)應(yīng)急搶險施工與交通管制工作，期間未發(fā)生安全事故。

通過計算表明，截至2018年6月21日，滑坡體最大變形點發(fā)生在下游I區(qū)后緣頂部，累計滑移18.16 m，滑坡方向為垂直河道略偏向下游。相比高精度全站儀外觀監(jiān)測成果，三維激光掃描成果在同一位置的變形量值一致，變形程度最大的區(qū)域位置接近，均為滑坡后緣頂部。

4 結(jié) 語

目前，水電工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警仍多采用傳統(tǒng)監(jiān)測手段，自動化程度不高，特別是分布有大量危巖體或孤石群的高陡巖質(zhì)滑坡體，傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在一定局限性。三維激光掃描技術(shù)為空間數(shù)據(jù)獲取提供了全新測量方法和手段，在技術(shù)上突破了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的限制，可以高精度、高密度、高效率、遠(yuǎn)距離、無接觸地獲取地表對象的三維空間信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集方式從單點式到面式的轉(zhuǎn)化。該技術(shù)首次在大渡河猴子巖水電站庫區(qū)大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理中應(yīng)用，其預(yù)測預(yù)警的有效性得到了驗證，在滑坡體臨滑階段與應(yīng)急管理期間發(fā)揮了極其重要的作用?？梢哉f，三維激光掃描技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了水電工程地質(zhì)災(zāi)害智能化管理水平，值得在水電工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理中推廣。