地面激光掃描儀對(duì)公路邊坡落石形成條件及運(yùn)動(dòng)特性分析研究

林雄 LIN Xiong

（深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司，深圳 518000）

0 引言

公路邊坡落石是交通工程中一項(xiàng)常見(jiàn)而嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，對(duì)行車安全和道路設(shè)施的完整性構(gòu)成潛在威脅。為了有效地應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，必須深入了解公路邊坡落石的形成條件和運(yùn)動(dòng)特性。本文旨在通過(guò)分析地質(zhì)條件、氣象條件和人為因素等多個(gè)方面，系統(tǒng)研究公路邊坡落石的形成條件，同時(shí)探討落石的類型、規(guī)模、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)路徑以及對(duì)公路安全的影響。還將介紹現(xiàn)代技術(shù)在研究中的應(yīng)用，包括地面激光掃描儀的使用以及不連續(xù)性的自動(dòng)識(shí)別方法。通過(guò)全面的形成條件和運(yùn)動(dòng)特性分析，可以更好地了解公路邊坡落石的機(jī)制，為預(yù)防和應(yīng)對(duì)此類事件提供科學(xué)依據(jù)。

1 形成條件分析

在分析公路邊坡落石的形成條件時(shí)，需要綜合考慮地質(zhì)、氣象和人為因素。首先，地質(zhì)條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性和落石風(fēng)險(xiǎn)有顯著影響，包括巖性、斜坡坡度和地下水情況。其次，氣象條件也是重要因素，包括降水量、溫度變化和風(fēng)速。最后，人為因素如開(kāi)采活動(dòng)、道路施工和植被狀況也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。通過(guò)全面分析這些因素，可以更好地了解公路邊坡落石的形成條件，為預(yù)防和處理落石事件提供基礎(chǔ)。

2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

2.1 地面激光掃描儀

地面激光掃描（TLS）被稱為基于地面的LIDAR（光探測(cè)和測(cè)距）系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于無(wú)反射和無(wú)接觸采集，用于快速獲得周圍場(chǎng)景的準(zhǔn)確3D 幾何信息?；诿}沖的掃描儀傳輸激光脈沖，發(fā)射物體反射的信號(hào)，并利用飛行時(shí)間（TOF）技術(shù)確定儀器與物體反射表面上的點(diǎn)之間的距離。它捕捉測(cè)量區(qū)域中數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)的3D 位置，以創(chuàng)建測(cè)量對(duì)象的幾何正確的3D“圖像”。對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，采集TLS 儀器中心笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z）設(shè)置中的x，y 和z 坐標(biāo)。同時(shí)，記錄每個(gè)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的反向散射回波的光功率。這些值作為所謂的反射強(qiáng)度（i）。獲取的空間點(diǎn)（稱為點(diǎn)云）隨后可用于創(chuàng)建精確的3D 表面模型或數(shù)字高程模型（DEM），用于制圖、工程測(cè)量或進(jìn)一步的巖土工程分析。

應(yīng)用TLS 系統(tǒng)RIEGL VZ-2000 是一種基于脈沖的掃描儀，具有360°水平視野和100°垂直視野。原始位置精度為8150mm，在90%反射率的目標(biāo)上掃描距離精度為5mm，可達(dá)到2000m。高速數(shù)據(jù)采集（每秒高達(dá)396000 點(diǎn)）使其成為快速工程測(cè)量和三維建模的理想系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

研究地點(diǎn)為某個(gè)地形復(fù)雜的地區(qū)，第一個(gè)數(shù)據(jù)集，稱為參考點(diǎn)云，于2019 年8 月25 日采集，采集地點(diǎn)是巖質(zhì)邊坡滑坡發(fā)生后的幾天。為了確保完全覆蓋研究區(qū)域，選擇了適當(dāng)?shù)膾呙椟c(diǎn)，并沿著河對(duì)岸的巖質(zhì)邊坡設(shè)置了總共八個(gè)掃描站，以獲取整個(gè)滑坡的三維幾何信息（圖1（a））。這些掃描站到巖石邊坡的距離在250 到300m 之間，坡腳處位于800m 和900m 處。將水平和垂直角度分辨率均設(shè)置為0.01°，采集的數(shù)據(jù)的平均點(diǎn)間距范圍從5cm 到15cm不等。此外，在掃描場(chǎng)景中放置了四個(gè)具有已知中心坐標(biāo)的圓形目標(biāo)，以作為數(shù)據(jù)處理階段的地理參考連接點(diǎn)（圖1（a））。確保了相鄰掃描站之間至少有30%區(qū)域的重疊掃描，以最小化崎嶇地形中的遮擋區(qū)域。然后，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊并合并到單個(gè)文件中，以創(chuàng)建最終的3D 模型。

圖1 滑坡的三維幾何信息

獲取的點(diǎn)云位于各自的相對(duì)坐標(biāo)系中；需要對(duì)齊以將不同的點(diǎn)云合并到一個(gè)文件中。這是通過(guò)算法完成的，以在三個(gè)階段獲得最佳旋轉(zhuǎn)平移對(duì)齊矩陣：①通過(guò)手動(dòng)拾取兩個(gè)相鄰掃描之間重疊區(qū)域中的同源點(diǎn)對(duì)（例如巖石尖塔、巖石棚角和結(jié)構(gòu)角）來(lái)完成初步粗略對(duì)齊；②隨后使用迭代最近點(diǎn)（ICP）優(yōu)化對(duì)準(zhǔn)，以通過(guò)最小化均方成本函數(shù)逐步減少點(diǎn)之間的差異；③最終的改進(jìn)是通過(guò)將“搜索距離”參數(shù)逐漸減小到幾厘米來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以獲得最佳旋轉(zhuǎn)平移對(duì)準(zhǔn)矩陣，其可接受的對(duì)準(zhǔn)誤差為0.002m。對(duì)齊后，點(diǎn)云將合并并統(tǒng)一為一個(gè)文件，大約30%的重疊和誤導(dǎo)點(diǎn)將被刪除。然后，通過(guò)使用四組圓形目標(biāo)作為地面控制點(diǎn)，將統(tǒng)一點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系。因此，點(diǎn)云被合并、統(tǒng)一，然后用從激光掃描儀上設(shè)置的校準(zhǔn)數(shù)字相機(jī)獲得的RGB 信息著色（圖1a）。生成的表面模型捕獲了破壞后巖石邊坡的高分辨率幾何和形態(tài)信息。帶有凸起、凹陷和現(xiàn)有不連續(xù)性（如斷層和層面）的崎嶇滑坡表面非常詳細(xì)（圖1（b））。它可用于識(shí)別和定位斜坡形態(tài)和變化。

2.3 運(yùn)動(dòng)特性分析方法

斷層、葉理和節(jié)理等不連續(xù)性在巖石邊坡的形態(tài)和破壞傾向中起著關(guān)鍵作用。三維點(diǎn)云或表面模型可以詳細(xì)記錄破壞后巖石邊坡的幾何和形態(tài)信息，以充分識(shí)別空間信息和不連續(xù)性。

要分析這些不連續(xù)性的運(yùn)動(dòng)特性，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)操作員的判斷手動(dòng)估計(jì)屬于不連續(xù)表面的點(diǎn)云子集的最佳擬合平面。然后，可以通過(guò)擬合平面的法向量直接確定不連續(xù)性的方向（傾角和傾角方向）。圖1（c）顯示了通過(guò)這種方法識(shí)別的一些接頭。

在本研究中，開(kāi)發(fā)了一種基于模糊聚類方法的方法。模糊聚類分析試圖根據(jù)數(shù)據(jù)集中觀測(cè)值之間的相似性來(lái)將數(shù)據(jù)集分為K 個(gè)子組或聚類。

通過(guò)使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)格建模，計(jì)算了每個(gè)三角網(wǎng)格的法向量和出現(xiàn)情況，然后根據(jù)法向量之間的相似性將它們分為子組或集合。這樣，獲得了不連續(xù)性的幾何信息，并進(jìn)行了自動(dòng)的模糊聚類統(tǒng)計(jì)分析。自動(dòng)識(shí)別方法是通過(guò)在本研究中使用Matlab 執(zhí)行模糊Kmeans 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)算法經(jīng)過(guò)以下步驟：①計(jì)算巖石邊坡三維表面模型的三角形網(wǎng)格的法向量；②確定簇?cái)?shù)K 和初始簇質(zhì)心V0（一種簡(jiǎn)單的方法是選擇隨機(jī)K 向量作為初始簇質(zhì)心的初始猜測(cè)；另一種有用的方法是依賴于實(shí)地調(diào)查或以前的手動(dòng)/半自動(dòng)識(shí)別方法選擇初始簇質(zhì)心）；③計(jì)算距離d 并計(jì)算來(lái)自K個(gè)簇形心的所有法向量的隸屬度矩陣U；④使用Picard 迭代方法來(lái)求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，并獲得最佳的聚類質(zhì)心和隸屬度矩陣；⑤根據(jù)多數(shù)服從規(guī)則對(duì)巖石不連續(xù)性的出現(xiàn)進(jìn)行分類，并對(duì)不連續(xù)性的聚類分類結(jié)果進(jìn)行著色。

在滑坡表面，有兩個(gè)主要的不連續(xù)性面組。J2 區(qū)域以綠色標(biāo)記，分布廣泛，大致平行于滑坡表面。J3 區(qū)域標(biāo)記為紅色，大致垂直于河流方向。然而，由于懸垂面較小、結(jié)構(gòu)面粗糙度和節(jié)理面的錯(cuò)動(dòng)，所以在自動(dòng)識(shí)別中，一些不可避免的斑駁區(qū)域（例如J2 區(qū)域中可能出現(xiàn)的黃色或紅色區(qū)域）可能會(huì)出現(xiàn)。這是因?yàn)樽詣?dòng)識(shí)別方法是基于三角形網(wǎng)格的法向量來(lái)表示不連續(xù)性的方向，因此對(duì)于稍微封閉或未暴露的不連續(xù)性，識(shí)別精度將大大降低。例如，在巖石邊坡崩塌后的大型巖層結(jié)構(gòu)中，自動(dòng)識(shí)別過(guò)程可能會(huì)忽略閉合節(jié)理組J1。因此，自動(dòng)識(shí)別方法與人工識(shí)別方法相結(jié)合可以產(chǎn)生更合理的結(jié)果。

3 運(yùn)動(dòng)特性分析結(jié)果

3.1 不連續(xù)性分析

通過(guò)結(jié)合自動(dòng)識(shí)別方法和手動(dòng)識(shí)別方法，總共識(shí)別了331 個(gè)不連續(xù)性。如圖2（a）所示，然后在立體投影中繪制其傾角和傾角方向值?；卤砻嬗腥齻€(gè)主要的優(yōu)選不連續(xù)面組：節(jié)理組J1 沿巖層發(fā)育，傾角30.7°，平均傾角20°，變異性較?。?σ=7.6°），節(jié)理組J1 的平均跡線長(zhǎng)度達(dá)到75.41m，平均間距約為4.51m；節(jié)理組J2 大致平行于滑坡表面，傾角為86°，平均傾角78°，分布廣泛，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的變異性較大，為17.5°，節(jié)理組J2 的平均間距為6.81m，平均跡線長(zhǎng)度約為27.53m；節(jié)理組J3 的平均傾角為60°，平均傾角為77°，只有很小的變化（1σ=8.2°），平均間距為8.32m，平均跡線長(zhǎng)度為54.56m。這些確定的不連續(xù)面組與傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查的不連續(xù)性組非常相似（圖2（b））。然而，它們可以提供關(guān)于不連續(xù)面的分布和結(jié)構(gòu)特征的更詳細(xì)信息，以及更全面的滑坡表面視圖。

圖2 不連續(xù)極點(diǎn)的集中線和不連續(xù)集合的模態(tài)平面的立體投影

3.2 落石分析

圖3 顯示了2019 年8 月至2022 年6 月期間巖質(zhì)邊坡崩塌后巖石邊坡表面模型的多時(shí)間比較。它為巖質(zhì)邊坡的性質(zhì)和時(shí)間演變提供了高分辨率和精確的可視化。對(duì)表面變化進(jìn)行顏色編碼，并計(jì)算所涉及的質(zhì)量體積。藍(lán)色表示與材料增加相關(guān)的積極變化，紅色表示落石的材料損失區(qū)域。如圖3（a）-（c）所示，自巖質(zhì)邊坡滑坡發(fā)生以來(lái)，滑坡表面或沿破壞后巖石邊坡邊緣經(jīng)常發(fā)生落石。巖石邊坡落石的主要破壞機(jī)制可分為平面破壞、楔形破壞和傾倒破壞。平面破壞和楔形破壞主要發(fā)生在滑坡表面，而傾倒破壞主要出現(xiàn)在破壞后巖石邊坡的邊緣。如圖3（d）所示，表中列出了巖石邊坡中檢測(cè)到的36 個(gè)主要落石的體積?？梢钥闯?，落石量的大小取決于位置。

圖3 TLS 累計(jì)檢測(cè)到的落石事件

3.3 研究效果分析

研究效果分析有助于研究落石的破壞機(jī)理，并提出今后的合理處理措施。研究表明，通過(guò)采取一系列有效的防范措施，可以顯著減少落石事故的發(fā)生概率。這些措施包括但不限于定期巡檢和維護(hù)潛在的落石點(diǎn)，安裝護(hù)欄和防護(hù)網(wǎng)，以及進(jìn)行地質(zhì)勘察和工程加固等。這些措施的實(shí)施有效地降低了落石事故的風(fēng)險(xiǎn)，提高了公路的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

公路邊坡落石是一項(xiàng)復(fù)雜而嚴(yán)重的地質(zhì)問(wèn)題，其形成條件和運(yùn)動(dòng)特性的分析對(duì)于確保交通安全和道路設(shè)施的保護(hù)至關(guān)重要。通過(guò)本文的研究，深入探討了地質(zhì)條件、氣象條件和人為因素對(duì)落石的影響，同時(shí)對(duì)不同類型落石的規(guī)模、速度、路徑以及對(duì)公路安全的威脅進(jìn)行了全面分析?，F(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，如地面激光掃描儀和自動(dòng)不連續(xù)性識(shí)別方法，為研究提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和更全面的視角。通過(guò)深入了解公路邊坡落石的形成機(jī)制，能夠采取更有針對(duì)性的措施來(lái)預(yù)防和減輕這一潛在危險(xiǎn)。此外，及時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)也可以幫助降低落石事件的風(fēng)險(xiǎn)。總之，對(duì)于公路管理和工程建設(shè)部門來(lái)說(shuō)，了解公路邊坡落石的形成條件和運(yùn)動(dòng)特性是確保道路安全和可持續(xù)性的關(guān)鍵一步。