三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳世坤

（四川峨眉山地質(zhì)工程勘察有限責(zé)任公司，四川 樂(lè)山 614000）

前言：作為新興測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)工程建設(shè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具備高精度、高效率優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段與工具的集成，該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中也具備較高應(yīng)用價(jià)值。為保證滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)得到科學(xué)應(yīng)用，正是本文研究目標(biāo)所在。

一、地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用方法

（一）技術(shù)原理

作為測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)能夠突破單點(diǎn)變形觀測(cè)的傳統(tǒng)模式限制，通過(guò)數(shù)據(jù)采集的“面測(cè)量”取代以往的“點(diǎn)測(cè)量”，本文研究主要圍繞地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)，該技術(shù)主要由軟件控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、數(shù)碼相機(jī)、三維激光掃描儀等組成，本質(zhì)上屬于新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段，集合多種高新技術(shù)于一身。三維激光掃描儀由激光掃描系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)組成，部分三維激光掃描儀還集成有WLAN 天線設(shè)備、GPS 接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、校正系統(tǒng)、電荷耦合器件。三維激光掃描儀可細(xì)分為手持型、地面型、機(jī)載型、特殊型四類，地面型可細(xì)分為固定式激光掃描系統(tǒng)、移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)。激光掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)距離信息、角度信息、強(qiáng)度信息等觀測(cè)數(shù)據(jù)的直接獲取，角度信息為用于反射脈沖激光反射鏡的角度值，即豎直方向角、水平方向角，可分別表示為θ、α。強(qiáng)度信息為掃描點(diǎn)反射強(qiáng)度，可表示為I。距離信息為脈沖激光傳播時(shí)間，可由此通過(guò)計(jì)算確定掃描點(diǎn)與儀器距離值，可表示為S。通過(guò)獲取的距離信息和角度信息開(kāi)展計(jì)算，即可確定三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)具體三維坐標(biāo)值，反射點(diǎn)顏色賦予由強(qiáng)度信息負(fù)責(zé)。

（二）應(yīng)用方法

本文研究主要圍繞地面型三維激光掃描技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用展開(kāi)，通過(guò)對(duì)滑坡體進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，可以得到一個(gè)面上不同點(diǎn)的數(shù)據(jù)，掃描物體的表面由此形成。云數(shù)據(jù)處理需要圍繞“點(diǎn)群”單位進(jìn)行，為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)物獲取，需結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供的大小、形狀、紋理、顏色、色調(diào)等標(biāo)志完成體積較大的物塊分辨，滑坡體上這類物塊選擇存在的形式有兩種，包括滑坡體上裸露的巖石塊，這類巖石塊存在明顯的物理特征和幾何特征，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠識(shí)別這類巖石塊得到獨(dú)立個(gè)體。另一種形式需要布設(shè)便于識(shí)別、簡(jiǎn)單的物體，這種形式適用于大量裸露土體的滑坡體，以此替代適合監(jiān)測(cè)的天然地物；地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用還需要開(kāi)展坐標(biāo)計(jì)算，需要將選擇的監(jiān)測(cè)物視作均勻物質(zhì)，以此結(jié)合點(diǎn)云數(shù)完成監(jiān)測(cè)物重心的三維坐標(biāo)計(jì)算，得到“同名點(diǎn)”。相較于全站儀、GPS 能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量獲取三維數(shù)據(jù)，地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用需要對(duì)同名點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算存在相對(duì)較低點(diǎn)位精度，但存在更多的監(jiān)測(cè)物數(shù)量，效率更高，即便需要布設(shè)標(biāo)靶也存在更高效率；在地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可應(yīng)用成熟的處理軟件，如3DReshaper 軟件、SouthLidar 軟件等，具體處理過(guò)程涉及數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)比較等內(nèi)容。數(shù)據(jù)編輯環(huán)節(jié)需要將粗差剔除，點(diǎn)云數(shù)據(jù)與建模無(wú)關(guān)的需要剔除。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)需要進(jìn)行同名點(diǎn)尋找，測(cè)量獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和同名點(diǎn)需要開(kāi)展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，具體需要向控制點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，同一測(cè)站獲得的基準(zhǔn)點(diǎn)、控制點(diǎn)、同名點(diǎn)需要構(gòu)成整體。數(shù)據(jù)拼接需結(jié)合不同測(cè)站公共點(diǎn)坐標(biāo)，將對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)向統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換，構(gòu)成整體。數(shù)據(jù)比較需要開(kāi)展被測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)實(shí)體模型建設(shè)，這需要充分應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中，需要對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)物進(jìn)行虛擬“重心”坐標(biāo)提取，以此獲取同名點(diǎn)，這種測(cè)繪無(wú)需對(duì)整個(gè)滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，僅需要比較分析“重心”坐標(biāo)。

二、地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用

（一）案例概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以某巨型滑坡作為研究對(duì)象，作為典型的紅土－基巖接觸面滑坡，該滑坡存在較高危險(xiǎn)程度和較差穩(wěn)定性，滑坡體寬度、長(zhǎng)度、平均厚度、體積分別為203m、296m、28m、1.68×106m3。為明確該巨型滑坡的發(fā)展變化趨勢(shì)、巖體結(jié)構(gòu)面滑移方向和滑移量，需圍繞其開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪。為得到連續(xù)、全面、完整、關(guān)聯(lián)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)。在地面三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用中，需要做好對(duì)相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害資料的收集，并對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的形成條件、分布規(guī)律、形成機(jī)理開(kāi)展深入研究，以此完成監(jiān)測(cè)區(qū)域的科學(xué)劃定，制定基于三維激光掃描技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)方案，完成地質(zhì)災(zāi)害體監(jiān)測(cè)，具體流程涉及收集和整理資料、實(shí)地踏勘、監(jiān)測(cè)方案制定、掃描準(zhǔn)備、掃描監(jiān)測(cè)、拼接圖形、掃描完全判斷、處理數(shù)據(jù)、分析成果。

（二）準(zhǔn)備工作

在應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)前，需做好儀器準(zhǔn)備并布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)。儀器準(zhǔn)備環(huán)節(jié)需要準(zhǔn)備的儀器包括2 臺(tái)計(jì)算機(jī)、1 套徠卡數(shù)字水準(zhǔn)儀、4 臺(tái)中海達(dá)V98接收機(jī)、三維激光掃描儀，其中三維激光掃描儀的型號(hào)為RIEGLLMS-Z420，同時(shí)需要配備Autocad、3DReshaper、Office 等軟件；在布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的過(guò)程中，基準(zhǔn)點(diǎn)需要結(jié)合所在區(qū)域遙感地圖完成布設(shè)，在進(jìn)行實(shí)地踏勘后，測(cè)量人員共布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)6 個(gè)，選擇滑坡體對(duì)面山坡較高處的穩(wěn)定區(qū)，為滿足監(jiān)測(cè)掃描需要，同時(shí)在基準(zhǔn)點(diǎn)建設(shè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩。項(xiàng)目的高程、平面坐標(biāo)分別選擇1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)、2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，按照D 級(jí)精度開(kāi)展GNSS 測(cè)量確定基準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，基于二等水準(zhǔn)精度聯(lián)測(cè)國(guó)家高程點(diǎn)確定基準(zhǔn)點(diǎn)的高程。通過(guò)針對(duì)性地實(shí)地勘察，結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用方案，共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)8 個(gè)，選擇能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害體變化進(jìn)行反映的位置，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)靶埋設(shè)，滿足三維激光掃描儀識(shí)別需要。

（三）監(jiān)測(cè)掃描

在基于地面三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測(cè)掃描過(guò)程中，為得到高可靠性監(jiān)測(cè)成果，選擇“四個(gè)固定”方式開(kāi)展監(jiān)測(cè)掃描，即通過(guò)固定三維激光掃描儀開(kāi)展每期監(jiān)測(cè)，基于固定基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)墩按照固定順序進(jìn)行三維激光掃描儀架設(shè)完成每期監(jiān)測(cè)，圍繞固定的基準(zhǔn)標(biāo)靶開(kāi)展各掃描站每期監(jiān)測(cè)，采用固定不變的各掃描站每期掃描參數(shù)。

（四）數(shù)據(jù)處理

針對(duì)性處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同樣屬于地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體變形情況的準(zhǔn)確反映，對(duì)于應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須針對(duì)性處理，具體處理涉及五方面內(nèi)容：第一，數(shù)據(jù)預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理需要拼接多站坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)展完整性分析，明確需要監(jiān)測(cè)的地質(zhì)災(zāi)害體是否完全得到掃描，如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體某部位未得到掃描需要及時(shí)開(kāi)展重新掃描，保證缺失的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到補(bǔ)充；第二，數(shù)據(jù)去噪。外部環(huán)境、儀器等因素會(huì)導(dǎo)致地面三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，這種噪聲點(diǎn)可通過(guò)人工處理和平滑濾波結(jié)合方法去除，分析誤差能夠有效降低；第三，空間坐標(biāo)歸化。利用基準(zhǔn)點(diǎn)高程和坐標(biāo)，將整合地質(zhì)災(zāi)害體各期點(diǎn)云數(shù)據(jù)向1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)和CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換；第四，提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)靶，完成各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)提取，為成果分析使用提供依據(jù)；第五，生成地質(zhì)災(zāi)害體三維表面模型。數(shù)據(jù)去噪處理后，需要進(jìn)行分類，地物、植被等非地貌部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要由此剔除，以此得到三維表面模型，為地質(zhì)災(zāi)害體結(jié)構(gòu)面細(xì)節(jié)變形分析和整體發(fā)展趨勢(shì)分析提供基礎(chǔ)模型。

（五）監(jiān)測(cè)成果分析

1.監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果分析

結(jié)合從2020 年6 月22 日、2020 年12 月9 日共兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)中的8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果進(jìn)行分析，可以得到表1 所的監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果表。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果表

結(jié)合表1 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該地質(zhì)災(zāi)害體正處于下移之中，存在0.1438m 的各點(diǎn)平均水平位移量，同時(shí)存在－0.1232m 的各點(diǎn)平均垂直位移量?；螺S位置的W4唯一最大，存在0.2139m的水平位移量及－0.2007m的垂直位移量，邊緣點(diǎn)W8位移最小，水平位移量、垂直位移量分別為0.0814m、-0.0623m。圍繞點(diǎn)位分布進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，位移隨著與滑坡軸位置靠近程度而提升，越靠近則位移越大?？偟膩?lái)說(shuō)，該地質(zhì)災(zāi)害體隨時(shí)存在潛在的威脅，必須開(kāi)展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，保證預(yù)報(bào)、預(yù)警工作嚴(yán)格落實(shí)。

2.斷面線成果分析

地質(zhì)災(zāi)害體的位移情況對(duì)比可圍繞無(wú)植被覆蓋區(qū)的陡坎位置進(jìn)行，三維DEM 對(duì)比需要將植被去除并進(jìn)行TIN 構(gòu)建，這會(huì)帶來(lái)一定程度精度損失，為將相關(guān)影響降到最低，選擇斷面切點(diǎn)云截面進(jìn)行前后期的地質(zhì)災(zāi)害體的具體變化，這種對(duì)比在精度把控方面優(yōu)勢(shì)明確，能夠直接開(kāi)展。前后兩期掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間坐標(biāo)歸化后需要結(jié)合實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行疊放，縱剖面需選擇需要分析的位置獲取，地質(zhì)災(zāi)害體的變形情況可通過(guò)對(duì)同一位置縱剖面對(duì)比明確。具體選擇地質(zhì)災(zāi)害體滑坡軸剖切2 次掃描點(diǎn)云獲得的截面圖，以厘米作為位移量單位，以米作為其他定位數(shù)據(jù)單位，可得到圖1 所示滑坡軸剖切線位移對(duì)比圖。圖1 中的黑色、紅色分別代表第二期、第一期掃描地質(zhì)災(zāi)害體軸剖面，由此可確定位移情況，較大位移在中部出現(xiàn)，底部和上部存在較小位移。

3.點(diǎn)云模型成果分析

地質(zhì)災(zāi)害體點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)3DReshaper 軟件開(kāi)展分類，將地物、植被等非地貌部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除后，可得到三維表面模型，圖2 為一期、二期掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖2 進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害體存在整體位移，滑坡軸附近、垂直滑坡方向上存在較大位移，中部位移在滑坡方向上較大，底部和上部存在相對(duì)較小位移。

4.裂縫分析

研究對(duì)象地質(zhì)災(zāi)害體存在小型臺(tái)階裂縫，但在應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)的掃描過(guò)程中，標(biāo)靶和監(jiān)測(cè)點(diǎn)未能設(shè)置在小型臺(tái)階裂縫邊緣處，這使得小型臺(tái)階裂縫無(wú)法結(jié)合三維表面模型或點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接獲取長(zhǎng)度、寬度等尺寸信息和變形情況?？紤]到裂縫底部位置高低不一且存在不規(guī)則性特點(diǎn)，單一高程信息獲取難度較高，因此地質(zhì)災(zāi)害體的小型臺(tái)階裂縫變化情況和尺寸信息可基于等高線進(jìn)行分析。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害體三維表面模型和3DReshaper 軟件，得到對(duì)應(yīng)小型臺(tái)階裂縫模型等高線，通過(guò)DXF 文件以二維預(yù)覽的方式將其導(dǎo)入Autocad2016，由此定量分析裂縫，可得到圖3所示的一期、二期裂縫等高線效果圖。

結(jié)合圖3 進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，等高線密集的左上部的高程較高，屬于裂縫上部，同理，右下部則為裂縫下部，這與實(shí)際地形情況一致。隨高程變化，臺(tái)階裂縫的寬度和高度不同，結(jié)合軟件進(jìn)行計(jì)算可以確定，裂縫最低處的一期裂縫寬度、長(zhǎng)度分別為0.586m、5.654m，二期裂縫寬度、長(zhǎng)度分別為0.840m、5.971m，因此可確定存在0.317m 的兩期間小型臺(tái)階裂縫長(zhǎng)度變化量及0.254m 的寬度變化量。隨地質(zhì)災(zāi)害體一起變形的小型臺(tái)階裂縫存在較大變形量，需要對(duì)其開(kāi)展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)并做好預(yù)警工作。地質(zhì)災(zāi)害體結(jié)構(gòu)面細(xì)節(jié)變形詳細(xì)數(shù)據(jù)能夠由裂縫分析提供，災(zāi)害預(yù)防和控制能夠由此獲得可靠資料與科學(xué)依據(jù)。

結(jié)論：綜上所述，三維激光掃描技術(shù)能夠較好用于地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的準(zhǔn)備工作、監(jiān)測(cè)掃描、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)成果分析等內(nèi)容，在提供了可行性較高的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害體測(cè)繪生產(chǎn)，多源數(shù)據(jù)支持監(jiān)測(cè)、測(cè)站與參數(shù)設(shè)置優(yōu)化等方面同樣需要得到重視。