三維激光掃描技術在滑坡變形監(jiān)測中的應用

林益新

（福建省經緯數(shù)字科技有限公司，福建 福州 350001）

0.引言

我國地貌復雜，有較多的山川丘陵，每年有大量的山體滑坡、崩塌等地質災害的發(fā)生，給人們的生命和財產造成了非常大的損失，因此國家對滑坡的監(jiān)測和預警十分重視[1-3]。如今地表宏觀情況監(jiān)測，降雨量、地下水等環(huán)境因素監(jiān)測，深部變形監(jiān)測為國內外監(jiān)測滑坡災害的具體內容。而在國內，大部分工程都是用全站儀或GNSS來測量坡體變形，分析坡體的穩(wěn)定性，此方法所得的特征點較少，難以獲得坡體的總體變形數(shù)據(jù)。而在分析滑坡變形時，許多細節(jié)的改變會對變形分析的準確性起著決定性作用，因此，在滑坡監(jiān)測中，引入三維激光掃描技術，能夠將坡體表面豐富的自然點利用起來，達到從整體分析滑坡變形的目的[4]。在滑坡災害預警監(jiān)測系統(tǒng)中使用地面三維激光掃描技術可以在很大程度上提高預警精度和準確性，其應用潛力較大，社會價值和經濟價值較高。和傳統(tǒng)測量方式不同，此技術的數(shù)據(jù)構成和測量手段較為先進，處理數(shù)據(jù)的方式也較為獨特。三維激光掃描技術能夠對被測物的空間坐標（X，Y，Z）進行測量，并且具有測量速度快、密度高以及準確性高的優(yōu)點，能夠對被測物表面的情況進行詳細地描述[5]。在測量物體靜態(tài)形狀方面此技術已經取得了較大的成功，但將此技術應用到具體工程中時會發(fā)現(xiàn)坡體的變形預報和監(jiān)測存在較多沒有克服的現(xiàn)實問題和理論問題，需要深入地分析和研究?；诖?，本文通過設置實地試驗和模型試驗，研究了此技術在實際中的應用效果，為相關工程提供借鑒和指導。

1.三維激光掃描技術的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)掃描儀的特點，能夠在比較穩(wěn)定、相對安全和視野良好位置搭建一些具有強對中功能的觀測墩，用于架設GNSS接收機、全站儀、掃描儀等監(jiān)測設備。由于一定要在同一個坐標系統(tǒng)里開展計算與分析坡體的變形工作，所以要觀測墩四周是否可以穩(wěn)定地進行測量工作，并借助全站儀測量或用GNSS在相同坐標系里對觀測墩的三維坐標進行測量，當有較大變化時及時調整。將掃描儀和定向標志設置在合適的觀測墩上，調平儀器后對相關參數(shù)（掃描密度和掃描范圍等）進行設置，之后即可開展目標區(qū)域的掃描測量工作，繼而得出滑坡的一期掃描數(shù)據(jù)。

2.點云數(shù)據(jù)處理方法

通過掃面得出的數(shù)據(jù)被叫作點云數(shù)據(jù)，它是由很多單個掃描點聚集在一起形成的，每一個掃描點中都包含了很多信息，如顏色、反射強度以及三維坐標等。所以可以在計算機上根據(jù)點云數(shù)據(jù)的顏色和強度信息來對測量的不同物體進行識別。

2.1 點云數(shù)據(jù)處理流程

在開展以三維激光掃描為基礎的形狀測量工作時，通常會借助特殊的軟件來對點云數(shù)進行處理，具體的操作步驟分為三步：第一步是將與形狀建模無關或關聯(lián)不大的點云進行裁剪，并對噪聲點進行消除；第二步是找出點云數(shù)據(jù)的關鍵點并進行拼接和配準，統(tǒng)一點云數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)；第三步是開展建模工作，按照物體的外形和點云數(shù)據(jù)將被測物體的實體模型建立出來，具體流程如圖1所示。

2.2 識別監(jiān)測靶標

借助GNSS或全站儀開展每一次測量工作時，均有明確且相同的變形監(jiān)測點，坡體的變形量可以由此直接計算出來。在掃描測量中采取的測量方式為無合作目標方式，這樣不會出現(xiàn)測量點重疊的情況。為了對變形量進行計算，要對每一個測量點測出的點云數(shù)據(jù)進行對比挑選，從眾多數(shù)據(jù)中挑出點名相同的點，并對其坐標進行計算。但是，掃描測量和處理針對的單位并不是單個的點，處理對象是由多個點聚集在一起的“點群”。所以，想要得到變形監(jiān)測點，先要將一些“監(jiān)測靶標”根據(jù)顏色信息和強度信息從點云數(shù)據(jù)里識別和挑選出來，然后再對監(jiān)測塊上的點云進行處理?！氨O(jiān)測靶標”有兩種具體的形式：第一種是在現(xiàn)實中較多滑坡體表面，大多數(shù)區(qū)域都散落著大大小小的巖石塊，這些天然形成的巖石塊基本都有著很高的反射性，這使得它們能夠快速地從所處的環(huán)境里識別出來，所以能夠當作“監(jiān)測靶標”；第二種是有較多的土體存在于滑坡表面，反射性較為強烈的天然石塊數(shù)量較少或基本不存在，此時可以采取人為設置的方法，選擇成本較低的材料在坡體表面適當區(qū)域設置一些簡單的塊體，并且這些塊體能夠與附近環(huán)境明顯區(qū)分開，此時可以將其視作“監(jiān)測靶標”。

2.3 監(jiān)測點坐標計算

在滑坡每一期的掃描測量中，有很多監(jiān)測塊體從掃描點云中識別出來，而又有大量單獨的掃描點存在于監(jiān)測靶標上。在工程監(jiān)測中通常選取重心法和擬合法來把監(jiān)測靶標里的點云轉化為變形監(jiān)測點。

（1）當監(jiān)測塊體形狀不規(guī)則時，處理上面的點云選用重心法。這種監(jiān)測塊可能是天然塊體，也有可能是人工設置的。此次研究中處理和分析的監(jiān)測塊體平面數(shù)量最少為1。具體步驟為：先將點云圖顯示在計算機中，借助軟件的相關功能（平移、旋轉、放大、縮小等），對監(jiān)測塊的平面進行選擇；對此面上的邊界進行科學合理的確定，之后借助面垂直方向上的一致性來對邊界范圍里的掃描點進行選擇；對這些掃描點的坐標進行計算求其平均值，并視作此監(jiān)測塊上的變形監(jiān)測點。假如有多個平面存在于此監(jiān)測靶標上，那么就能夠獲取位于塊體上的全部監(jiān)測點，以此來對變形進行計算。

（2）當監(jiān)測塊體形狀與圓形面或球類體相近時，處理上面的點云選用擬合法。這種類型的監(jiān)測塊基本是由人工設置而成的，通常將圓形面的中心或擬合球體的球心來當作變形監(jiān)測點。

與全站儀、GNSS測量的變形點不同，掃描測量的結果不是直接通過儀器直接測出來的，而是經過一系列計算得出的。經過這種處理過程，盡管最終得出的變形監(jiān)測結果在精度上沒有全站儀或GNSS測出的精度高，不過在自然點變形量的獲取速度上遠遠高于全站儀或GNSS，這種方式可以在短時間內得到大量監(jiān)測點的變形結果，效率較高，在分析滑坡的整體變形上有重要的作用。

3.試驗分析

為了探索滑坡監(jiān)測里地面三維激光掃描的效果和可行性，本文設置了兩種試驗：第一種是選取天然巖石面，將其當成監(jiān)測塊，來對現(xiàn)實中的滑坡場地進行測量；第二種是在室內設置滑坡模型，開展模型測量試驗，并設置人工球體監(jiān)測塊。Mensi GS 200為此次研究所用地面三維激光掃描儀的型號。掃描儀最大測程為350 m，測程處于中等范圍。其點位精度為100 m內3 mm，平均掃描速度為每秒5 000點。

3.1 工程概況

本次變形監(jiān)測工程為福建閩江水口水電站樞紐壩下水位治理與通航改善工程建興石料場周邊房屋變形監(jiān)測，地理位置位于閩清縣梅溪鎮(zhèn)建興村和新民村境內，其地形地貌為丘陵山地，高程約20 m—130 m。開挖爆破高度不等。爆破區(qū)西側距316國道邊約100 m；電力線及國防光纜穿插爆破區(qū)，東側為山地；山上有果樹，南北側為零散居民區(qū)，房屋建筑與料場距離不等。測區(qū)為丘陵山地地貌，民房等建（構）筑物依山而建，部分房角較為隱蔽，通視條件差，地形起伏較大，給沉降及傾斜觀測帶來不便，施測難度較大。測區(qū)概略位置，如圖2所示。

圖2 滑坡及測量區(qū)域

3.2 實地滑坡監(jiān)測試驗

按照三維激光掃描儀的使用要求和儀器性能，在研究區(qū)內選擇一處合適滑坡開展了兩期測量試驗，每期測量間隔1天，在測量時監(jiān)測塊為天然巖石。處理數(shù)據(jù)時，采用重心法對5組巖塊的表面進行了處理，兩期測的變形量和坐標值如表1和圖3所示。在實際情況中，滑坡的變形基本保持不變。表1中坡體變形量表明，數(shù)據(jù)經過中心處理后得出的測量結果比較合理。

圖3 實地滑坡監(jiān)測結果

表1 實地滑坡變形值 單位：mm

3.3 室內滑坡監(jiān)測試驗與分析

本文在室內設置了滑坡模型，并在模型上設置降雨裝置，以此研究滑坡在降雨時的變形。但因為滑坡模型缺少豐富的紋理，所以設置了6排乒乓球于模型表面，一排4個，共24個球，當作人工標志點。在距離滑坡模型約6 m位置處放置一臺掃描儀進行掃描測量，具體如圖4所示。經過一定時間的降雨后，滑坡的下部慢慢開始變形，此時對滑坡進行定時測量，測量間隔約為15 min。從滑坡上部往下，挑選了6個標志點，標號1～6，分別為第1、4、6行左右各一個點。用球體擬合方法對兩個掃描時刻的結果進行處理。處理結果的三維坐標和變形結果如圖5和表2所示。將安置于滑坡模型上的位移計、攝影監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算處理后得到的變形值進行比較，發(fā)現(xiàn)基本相同。

圖4 滑坡模型前期布置圖

圖5 室內模型滑坡監(jiān)測結果

4.結束語

本文通過研究發(fā)現(xiàn)，借助三維激光掃描技術來監(jiān)測坡體的變形情況是一種可行的方案，并且測量結果具有較高的精度。尤其當坡體發(fā)生快速變形的時候，一些測量設備會因地表改變而被破壞，在這種條件下測量精度不是首要的，重點是測量點的速度和密度，此時借助三維激光掃描能夠在短時間將滑坡監(jiān)測系統(tǒng)建立起來，達到對滑坡預警的目的。這種滑坡測量技術與傳統(tǒng)的測量手段完全不同，處理監(jiān)測數(shù)據(jù)時有其獨特的理論和方法。本文通過實地監(jiān)測和模型監(jiān)測，為此技術的應用提供了指導和借鑒。隨著通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，軟件功能越來越全面，掃描儀應用場景越來越廣泛，此技術將不斷發(fā)展成熟，并廣泛應用在監(jiān)測滑坡工作中。