三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

何林　周彬

摘 要：為實現(xiàn)滑坡體的整體位移監(jiān)測，結(jié)合實際生產(chǎn)案例，采用三維激光掃描技術(shù)對滑坡體進行了數(shù)據(jù)采集和分析。結(jié)果表明，利用三維激光掃描技術(shù)可獲取不同時期滑坡體的表面形態(tài)，生成數(shù)字高程模型（DEM），通過將這些DEM疊加分析，可以得到不同時期滑坡體的相對位移量和絕對位移量。由此可知，三維激光掃描技術(shù)可為滑坡體變形監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報以及變形機理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有較大的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：滑坡體；變形監(jiān)測；三維激光掃描；數(shù)字高程模型

我國是一個地理環(huán)境特殊、地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的國家，每年因滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失不可估量。目前，用于滑坡變形監(jiān)測的主要手段是全站儀和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），但這兩種手段都是單點監(jiān)測，只能對滑坡體上有限的重要點進行監(jiān)測，雖然能精確獲取該點的變化信息，如水平位移、垂直位移及變化速率，但是無法直接獲取滑坡體的整體變形信息。近景攝影測量雖然能間接獲取滑坡體的整體變形信息，但是數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜、處理過程較為煩瑣。

三維激光掃描可簡單高效地獲取變形體的三維數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、測量成果精度高、點云密度大、非接觸式測量等優(yōu)點[1]，將以前以點帶面的監(jiān)測方法改為全局性的整體監(jiān)測方法，能詳細了解滑坡體的細節(jié)變化和整體變化[2]，為滑坡數(shù)據(jù)采集和分析提供了新方法和新手段。

徐進軍等[1]提出利用點云上的自然特征地物、地塊上通過“重心法”和“擬合法”計算得到均勻分布于整個變形區(qū)域的大量監(jiān)測點來估算整體的形變。劉昌軍等[2]提出基于八叉樹結(jié)構(gòu)和改進Hausdorff距離算法進行點云與點云的精細直接比較算法，得到準(zhǔn)確的變形區(qū)域和位移量。姚艷麗等[3-4]證明了灰色模型GM（1， 1）在滑坡預(yù)測中的優(yōu)勢，也對比研究了多種軟件來分析滑坡表面整體變形，為整體變形監(jiān)測提供選擇依據(jù)。

本研究系統(tǒng)論述了利用三維激光掃描技術(shù)進行滑坡體變形監(jiān)測的技術(shù)原理、工藝流程和技術(shù)要點，并結(jié)合工程實例給出了滑坡體三維激光掃描的成果形式。

1? ? 三維激光掃描原理

三維激光掃描的原理是通過激光脈沖依次掃描被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出到經(jīng)被測物體表面反射再返回儀器所經(jīng)過的時間差（或相位差），以此計算斜距S，并通過掃描控制模塊測量每個脈沖激光的水平角α和垂直角θ，即可由公式（1）計算得到激光點在儀器坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)：

利用三維激光掃描獲取對象表面精細三維模型，通過對比分析監(jiān)測對象兩期或多期觀測數(shù)據(jù)，能快速準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測對象各部分的變形狀況，對監(jiān)測結(jié)果進行研究可掌握其變形發(fā)展規(guī)律，在此基礎(chǔ)上可進一步開展滑坡變形機理研究和災(zāi)害預(yù)報研究[5]。

2? ? 數(shù)據(jù)處理

利用三維激光掃描技術(shù)進行邊坡變形監(jiān)測的主要技術(shù)流程如圖1所示。

首先，在測區(qū)內(nèi)布設(shè)控制網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)是進行掃描和點云對比分析的基礎(chǔ)，一般可通過GNSS或全站儀進行布設(shè)。控制網(wǎng)布設(shè)完成后即進行三維激光數(shù)據(jù)野外采集，野外架站點和架站數(shù)根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整。通過掃描得到每個點的三維坐標(biāo)、反射強度和顏色等信息，可以根據(jù)顏色和強度信息，結(jié)合點云的上下文信息，分辨出不同的測量物體。數(shù)據(jù)采集完成后即進行點云數(shù)據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，主要是將各測站的點云數(shù)據(jù)拼接成整體并轉(zhuǎn)換到國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下。點云去噪是將掃描過程中的噪聲去除，為點云分類奠定良好的基礎(chǔ)。在點云分類完成的基礎(chǔ)上，可進行地表模型構(gòu)建。通過兩期以上不同掃描數(shù)據(jù)的對比，得到滑坡的變形量與變形規(guī)律，為進一步研究滑坡變形機理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為滑坡變形趨勢分析提供現(xiàn)勢數(shù)據(jù)。

2.1? 點云數(shù)據(jù)拼接

由于滑坡體較大，為獲取滑坡體的完整形態(tài)，需要從多個角度分別進行掃描，架設(shè)站數(shù)根據(jù)滑坡體的位置、大小、形態(tài)確定。各測站獲取的點云數(shù)據(jù)采用的是以各測站儀器中心為坐標(biāo)原點的獨立坐標(biāo)系，因此，需要對各測站數(shù)據(jù)進行拼接，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。各測站的點云數(shù)據(jù)通過公共點進行拼接，一般采用最近點迭代（Iterative Closest Point，ICP）算法進行解算，如公式（2）所示：

2.2? 點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為了檢驗滑坡體的掃描精度，通常采用高精度全站儀進行數(shù)據(jù)比對，因此，需要將掃描點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)（x， y， z）轉(zhuǎn)換到國家大地坐標(biāo)系（X， Y， H）下。已知3個以上公共點在掃描坐標(biāo)系和國家統(tǒng)一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，可通過坐標(biāo)變換將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下，如公式（3）所示：

將掃描點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下后，可用全站儀檢驗掃描的點云精度。此外，變形監(jiān)測是對獲取的多期點云數(shù)據(jù)進行比較分析，因此，各期掃描數(shù)據(jù)也必須統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。為了便于對比分析兩期不同觀測時間所獲取的點云數(shù)據(jù)，需要在滑坡體影響范圍外，較為安全、通視條件良好和地質(zhì)基本穩(wěn)定的地方布設(shè)3個以上控制點作為變形監(jiān)測的基準(zhǔn)點。為了保證觀測精度，一般使用強制對中觀測墩。變形監(jiān)測的坐標(biāo)系統(tǒng)可根據(jù)項目特點確定，既可采用獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，也可采用國際統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3? 點云去噪

在實際掃描過程中，由于環(huán)境的干擾、人員車輛的移動、局地微氣候的改變、被測物體表面和地面的水等因素的影響，掃描的點云數(shù)據(jù)包括大量虛點、浮點、雜點、錯點以及噪聲點。為了保證監(jiān)測準(zhǔn)確性，必須對原始數(shù)據(jù)進行去噪處理，將點云中噪聲的影響降到最低。目前，一般采用半自動化的人機交互式方法進行去噪。

2.4? 點云分類

在進行點云去噪后，得到較為純凈的點云，但此時的點云包括地面地形點、植被點、建筑房屋點、電力桿塔、行人和車輛點等各種地形地物點。各種類型的點對變形觀測的影響不同，其中，植被生長較快，行人和車輛等變化較大，而地形點、房屋點、電力桿塔等相對穩(wěn)定。激光點云分類的主要目的是提取地表點，在點云去噪的基礎(chǔ)上，根據(jù)測區(qū)地形情況，通過設(shè)定合適的參數(shù)，用TerraScan軟件進行處理，對地面點、植被、房屋、電線桿等點云進行分類，為后期數(shù)據(jù)處理和分析奠定基礎(chǔ)。

3? ? 變形分析

由于點云數(shù)據(jù)的離散性，同一物體在不同時期很難對同一點進行掃描，因此，直接利用點云進行對比分析難以反映物體的變形情況，需要對點云數(shù)據(jù)進行處理，以分類的地面點為基礎(chǔ)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）或者數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）模型，通過模型與模型之間的比較，檢測出滑坡體的變形，并提取出相關(guān)變形量。由滑坡點云數(shù)據(jù)生成的TIN還可以計算兩期點云數(shù)據(jù)相對于同一參考平面的體積變化量。

激光技術(shù)也存在精度問題，就空間掃描測繪而言，最直接的影響因素是角度、距離；就三維重構(gòu)應(yīng)用而言，最直接的影響因素是精度分布的均勻性及點云密度。前者涉及點云數(shù)據(jù)中每個點的精確性，后者涉及重建后的整體精確性[6-8]。

4? ? 工程案例分析

在本研究中，第1期地形采集時間為2014年。數(shù)據(jù)采集分為兩個部分—控制網(wǎng)布設(shè)和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場情況，控制網(wǎng)采用閉合導(dǎo)線形式，共由8個控制點構(gòu)成?？刂泣c由布設(shè)在滑坡影響范圍外穩(wěn)定基巖上的3個基準(zhǔn)點起算。為分析該邊坡表面的穩(wěn)定狀態(tài)，生成該邊坡等高線地形圖，如圖2所示。

發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害后，使用三維激光掃描儀獲取滑坡區(qū)數(shù)據(jù)，三維激光掃描以能完整覆蓋整個滑坡監(jiān)測區(qū)域為準(zhǔn)，并將所有控制點全部掃描在內(nèi)。本次數(shù)據(jù)采集同樣采用控制網(wǎng)布設(shè)和三維激光掃描完成，控制網(wǎng)以原有控制網(wǎng)為基礎(chǔ)進行復(fù)測，由原基準(zhǔn)點起算。本項目掃描獲取的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

對掃描的點云進行分類處理，將分類所得地面點進行封裝，得到如圖4所示的DEM模型。

將原始地形圖和滑坡后的點云數(shù)據(jù)疊加，可直接對該滑坡體變形量進行量測，精確獲取該滑坡發(fā)生的位置坐標(biāo)、滑坡體長度和寬度等信息。通過前后兩期滑坡數(shù)據(jù)的對比，可以精確計算出本次滑坡的土方量。在本項目中，計算得到滑坡的土方量為431 m³，如圖5所示。

5? ? 結(jié)論和展望

滑坡變形是一種危害性較大的常見地質(zhì)災(zāi)害，三維激光掃描技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在滑坡變形監(jiān)測中有著特殊的優(yōu)勢，本研究主要闡述了三維激光掃描在滑坡變形監(jiān)測應(yīng)用中的數(shù)學(xué)模型和實施步驟，對今后開展此類工程具有一定的參考意義。

與傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)能密集全面地獲取地面信息，在較遠的距離以較高的精度獲取滑坡體的變形量，從而保證工程人員的安全，同時以較高的精度和較大的密度獲取地面點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從點到面的監(jiān)測，可大范圍獲取高分辨率的海量數(shù)據(jù)，進而判斷出變形區(qū)域、變形趨勢和變形量，大幅提高滑坡監(jiān)測的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和安全性，也為滑坡變形的機理研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Application of 3D laser scanning technology in landslide deformation monitoring

He Lin Zhou Bin

（1.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co. Ltd.， Guiyang 550081， China;

2.Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower， Guiyang 551416， China）

Abstract：In order to achieve overall displacement monitoring of landslide body， combined with actual production cases， 3D laser scanning technology was used to collect and analyze data on the landslide body. The results show that the surface morphology of landslide bodies in different periods can be obtained by 3D laser scanning technology， and digital elevation models （DEM） can be generated， and the relative displacement and absolute displacement of landslide bodies in different periods can be obtained by superimposing these DEM. It can be seen that 3D laser scanning technology can provide basic data for landslide body deformation monitoring， disaster prediction and deformation mechanism research， which has great advantages.

Key words： landslide body; deformation monitoring; 3D laser scanning; digital elevation model