基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡監(jiān)測應(yīng)用研究

梁鵬飛

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350012）

我國是自然災(zāi)害發(fā)生頻繁的國家之一，邊坡滑坡、崩塌以及泥石流等自然災(zāi)害風(fēng)險高、危險大，其發(fā)現(xiàn)和預(yù)警難度大，常態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警投入成本相對高，如何以最少的投入、最及時有效地實現(xiàn)對邊坡進(jìn)行常態(tài)化監(jiān)測和預(yù)警是當(dāng)前的重難點之一[1-2]。邊坡監(jiān)測是指為了解邊坡巖體位置移動情況而對邊坡開展位移形變、應(yīng)力應(yīng)變、氣象濕度等全方位的監(jiān)控，以了解邊坡巖體位置移動情況，實現(xiàn)對滑坡、崩塌等災(zāi)害的預(yù)警[1]。目前，邊坡監(jiān)測的技術(shù)方法包括利用全站儀進(jìn)行點位長期測量技術(shù)、利用可量測相機進(jìn)行近景攝影測量技術(shù)、基于機載的雷達(dá)干涉測量（Lidar）技術(shù)，以及綜合形變、位移各種傳感器的現(xiàn)代全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）變形監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)等[3]。而隨著激光技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也被應(yīng)用于邊坡監(jiān)測，其能夠快速獲取基于面狀分布的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對邊坡由傳統(tǒng)的點狀監(jiān)測轉(zhuǎn)變成面狀全范圍監(jiān)測，具有數(shù)據(jù)采集效率高、監(jiān)測精度高、全天候數(shù)字化操作、成果表現(xiàn)直觀、成本低等特點[4-5]。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究主要包括三維激光掃描的邊坡數(shù)據(jù)處理技術(shù)[6]、邊坡變形監(jiān)測分析[7-10]以及具體的工程應(yīng)用[5,11-12]。邊坡監(jiān)測要求具有較高的監(jiān)測精度，通常要求精確到毫米，但三維激光掃描的精度驗證是當(dāng)前基于三維激光掃描的邊坡監(jiān)測研究的難點之一，因此，本文結(jié)合傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測手段以及三維激光掃描技術(shù)，探討基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡監(jiān)測應(yīng)用，同時驗證其監(jiān)測精度。

1 基于三維激光掃描的邊坡監(jiān)測技術(shù)

1.1 三維激光掃描儀原理

三維激光掃描儀主要由三維激光掃描設(shè)備及其內(nèi)置相機、觀測操作手簿以及點云后數(shù)據(jù)處理軟件（如Maptek I-Site Studio）組成。首先，三維激光掃描儀通過激光發(fā)射裝置每秒發(fā)射幾萬甚至幾十萬束相位或者脈沖激光信號；然后，激光信號經(jīng)觀測目標(biāo)反射后從原路徑返回來，待掃描儀內(nèi)置接收器接收到激光信號后，能夠自動計算出掃描儀到掃描物表面的距離；再次，由內(nèi)置傳感器記錄此時掃描儀的橫向、縱向角度；最后，根據(jù)距離和角度通過三角函數(shù)關(guān)系式計算被測物體真實的三維坐標(biāo)[9]。三維激光掃描原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀測量是基于儀器內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)三角函數(shù)相關(guān)公式計算出目標(biāo)點P的真實三維坐標(biāo)XP、YP、ZP，其計算公式為：

式（1）中，α為激光掃描的橫向角度；β為激光掃描的縱向角度；D為儀器到被掃描目標(biāo)之間的距離；P為待測點目標(biāo)[11]。

1.2 三維激光掃描邊坡監(jiān)測技術(shù)流程

三維激光掃描邊坡監(jiān)測技術(shù)主要流程包括監(jiān)測區(qū)現(xiàn)場踏勘、控制網(wǎng)選點及埋石、平面高程控制測量、控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、點云數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，以及分析結(jié)果輸出等[4]（見圖2）。其中平面控制網(wǎng)的導(dǎo)線網(wǎng)和三角網(wǎng)等級均為一級，高程控制網(wǎng)等級采用四等水準(zhǔn)，GNSS網(wǎng)采用E級。由于三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系為內(nèi)部測站坐標(biāo)系，要求通過標(biāo)靶球測量方式，采用多測回測角法獲得，測回數(shù)為3回，實現(xiàn)測站坐標(biāo)系向控制坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在三維激光掃描測量過程中，站點設(shè)計應(yīng)盡量保證以最少的測站能夠覆蓋全部監(jiān)測區(qū)域，同時為保證數(shù)據(jù)的互補性，相鄰站點之間點云數(shù)據(jù)重疊度大于20%，監(jiān)測控制站點應(yīng)保證有4個以上控制條件[4]。

圖2 工程技術(shù)流程圖

2 工程應(yīng)用實踐

本文選取福建某水庫邊坡處，進(jìn)行邊坡監(jiān)測驗證研究，采用傳統(tǒng)的全站儀邊坡監(jiān)測手段與基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡監(jiān)測相結(jié)合的方式，探討基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡監(jiān)測應(yīng)用，并驗證其監(jiān)測精度。

2.1 工程概況

測區(qū)邊坡位于某水庫邊坡處，該邊坡坡度較大，地表植被相對稀少，地表裸露，存在邊坡滑坡的風(fēng)險。為了監(jiān)測該邊坡位移變形情況，采用三維激光掃描對該區(qū)域進(jìn)行面狀激光點云掃描。同時為了便于對比驗證分析，研究將測區(qū)分為兩個區(qū)域，即A區(qū)和B區(qū)（見圖3）。A區(qū)植被相對稀少，地表裸露度高，共設(shè)立7個常規(guī)監(jiān)測點；B區(qū)植被覆蓋相對比較完整，共設(shè)立6個監(jiān)測點，上述13個監(jiān)測點均采用常規(guī)的全站儀監(jiān)測方式對邊坡進(jìn)行點對點監(jiān)測。

圖3 測區(qū)基本情況圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

三維掃描儀器：天寶SX10（Trimble SX10）三維激光掃描儀。該掃描儀的點云掃描速度達(dá)到26 600點/s，掃描測程600 m，采用相位式和脈沖式相結(jié)合技術(shù)，掃描速度、精度、距離均能夠達(dá)到標(biāo)稱值。該掃描儀集成的全站儀測角精度0.5"，測距精度棱鏡模式下標(biāo)準(zhǔn)1 mm+1.5 ppm，因此采集的點云數(shù)據(jù)可精確的與施工監(jiān)測控制網(wǎng)進(jìn)行附合。

監(jiān)測時間：2021年11月29日完成第1次三維激光掃描；2021年12月19日完成第2次三維激光掃描，采集間隔周期為20個自然日。

測站布置：于水庫中心區(qū)域（ZD1）和大壩左壩肩處（TN07）共布置監(jiān)測點2站，測繪站位置如圖4所示。

圖4 測站分布圖

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點云拼接

由于布置2個測站并分兩次掃描，因此為獲得完整的點云信息，需要對2個測站的各掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，且2次測站點云數(shù)據(jù)的重疊度大于20%。點云拼接分為粗拼接和精拼接兩個步驟：（1）粗拼接是利用Maptek I-Site Studio軟件中的點云拼接工具，將2個測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步拼接；（2）精拼接則主要采用已有的控制點對最終的點云拼接結(jié)果進(jìn)行校正驗證[6]。

2.3.2 點云濾波

點云濾波主要采用空間濾波的方式剔除如邊坡上面的植被、草皮以及其他異常地物的點云數(shù)據(jù)，真實準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實的地形地貌。目前點云濾波方法包括高斯濾波、曲率濾波、中值濾波和平均濾波等，本項目研究采用高斯濾波的方法對點云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。

3 監(jiān)測結(jié)果對比分析

3.1 三維模型構(gòu)建

為了對比分析邊坡位移情況，需對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建。本文采用Maptek軟件對空間濾波處理后的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），對TIN進(jìn)行處理后生成精細(xì)的三角網(wǎng)。為顯現(xiàn)真實的三維邊坡地形地貌，將掃描儀內(nèi)置相機拍攝的照片渲染在模型上，增加模型紋理效果，構(gòu)建真實、準(zhǔn)確的三維邊坡實景模型。模型以O(shè)BJ格式進(jìn)行保存（見圖5）。

圖5 邊坡實景三維模型細(xì)節(jié)圖

3.2 三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果分析

采用Geomagic Control X軟件提取該區(qū)域地面兩次三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維變形計算，可以看出邊坡監(jiān)測B區(qū)為重點垮塌區(qū)域，區(qū)域最低高程約為2 267 m，最高高程約為2 357 m，高差90 m。利用軟件對不同變形區(qū)域進(jìn)行色彩條塊設(shè)置，用紅色區(qū)域表示變形量為正區(qū)域，代表該區(qū)域無明顯變形發(fā)生，或者主要以新增的泥土、石塊堆積為主；用紫色區(qū)域表示變形量為負(fù)區(qū)域，即該區(qū)域為存在明顯沉降變形區(qū)域，顏色越深，變形越大越明顯。圖6中的淡紅色區(qū)域表示邊坡穩(wěn)定區(qū)域，邊坡變形位移相對較小，經(jīng)統(tǒng)計分析，區(qū)域變形范圍在5 cm以內(nèi)，則該區(qū)域可認(rèn)為是相對穩(wěn)定區(qū)域。而右側(cè)較為明顯的淡紫色區(qū)域，即B區(qū)，其變形沉降明顯，經(jīng)統(tǒng)計分析，區(qū)域變形范圍在5 cm～20 cm，可認(rèn)為是明顯的滑坡變形區(qū)域。

圖6 變形區(qū)域分析圖（右邊區(qū)域表示沉降區(qū)）

3.3 點位精度分析

為了驗證三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果的可靠性，在13個常規(guī)外觀監(jiān)測點布設(shè)棱鏡，利用全站儀實時獲取邊坡上布設(shè)棱鏡處的坐標(biāo)。同時將三維激光掃描儀掃描到的同名點的點云數(shù)據(jù)擬合，進(jìn)而得到每一個棱鏡位置處的中心坐標(biāo)，對比檢核兩種監(jiān)測方式的可行性和精度。根據(jù)2021年11月29日至12月19日的13個測點外觀監(jiān)測結(jié)果，邊坡A區(qū)外觀監(jiān)測點三維累計變形在8.9 mm～17.3 mm，邊坡B區(qū)外觀監(jiān)測點三維累計變形在76.7 mm～243.4 mm。由常規(guī)邊坡監(jiān)測結(jié)果可知，B區(qū)監(jiān)測點均位于滑坡變形區(qū)域，而A區(qū)監(jiān)測點則位于滑坡穩(wěn)定區(qū)域。B區(qū)五個測點邊坡形變位移對比結(jié)果如表1所示。

表1 成果點位精度對比表

由表1可知，三維激光掃描儀的精度相比全站儀略低，最小的差值大概在1 cm以內(nèi)，最大的差值在5 cm左右，總體來說，對于不穩(wěn)定邊坡的監(jiān)測，基于三維激光掃描技術(shù)總體精度可以滿足要求。

4 結(jié)論

本項目利用先進(jìn)三維激光掃描技術(shù)精確獲取了高危邊坡的激光點云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建具有真實紋理的三維邊坡模型，通過兩次不同的三維邊坡模型變形監(jiān)測，分析邊坡滑坡體的總體變形演化規(guī)律，得出如下結(jié)論：（1）本文詳細(xì)地介紹了三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用，在一定程度上優(yōu)化了設(shè)計，以期為邊坡監(jiān)測項目提供有益參考；（2）三維激光掃描可以獲取變形區(qū)域的整體變形情況，改變傳統(tǒng)監(jiān)測方式只能獲取點狀態(tài)信息的問題[13]；（3）三維激光掃描儀的監(jiān)測精度略低于全站儀的監(jiān)測精度，但前者可滿足不穩(wěn)定邊坡監(jiān)測要求。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，基于三維激光掃描的數(shù)字化三維實景監(jiān)測將是邊坡監(jiān)測技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。三維激光掃描技術(shù)具有非接觸性、全數(shù)字化采集、采樣“三高特性”（即速度高、精度高、分辨率高）等特點，將使邊坡監(jiān)測實現(xiàn)點狀監(jiān)測轉(zhuǎn)向面狀監(jiān)測和三維監(jiān)測，并能真實準(zhǔn)確地反映邊坡滑坡的整體變化區(qū)域，為邊坡監(jiān)測治理、滑坡預(yù)警等提供有效的數(shù)據(jù)支撐[14]。