三維激光掃描技術(shù)在崩塌勘查中的應(yīng)用

邱相濤，袁 聰，方 釗

(四川省第六地質(zhì)大隊(duì),四川 瀘州 646000)

0 引言

崩塌是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的常見(jiàn)形式之一,約占全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的15%,國(guó)內(nèi)外許多崩塌案例都造成了巨大的損失,因此崩塌治理工作在提高生態(tài)環(huán)境安全和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面至關(guān)重要。當(dāng)前崩塌野外勘查中,地形圖測(cè)量方式以全站儀+RTK為主,近年增加了無(wú)人機(jī)正射投影拍攝測(cè)量,測(cè)量成果能準(zhǔn)確反映地形變化情況,體現(xiàn)崩塌與威脅對(duì)象之間平面關(guān)系,但對(duì)崩塌危巖帶和危巖單體所在立面難以直觀展現(xiàn)。同時(shí)由于地形條件的限制,尤其是高陡巖體崩塌,傳統(tǒng)的人工實(shí)地接觸式調(diào)查方法很難達(dá)到預(yù)期的效果[1],對(duì)危巖體的尺寸、結(jié)構(gòu)面特征、坡面特征等不能準(zhǔn)確查明,造成設(shè)計(jì)工程量與實(shí)際施工工程量存在較大誤差,對(duì)項(xiàng)目投資和進(jìn)度造成不利影響。

三維激光掃描技術(shù)在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛,它可以在測(cè)量相關(guān)的很多領(lǐng)域起到良好的作用,同時(shí)它具有速度快、精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在地質(zhì)災(zāi)害防治的相關(guān)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)已先后有多人都開(kāi)展了三維掃描技術(shù)的研究應(yīng)用,并取得豐碩的成果。如黃姍等[2]結(jié)合具體案例研究三維激光掃描技術(shù)在滑坡防治中的應(yīng)用,取得的效果顯著;舒飛等[3]以四川雅安天全縣發(fā)生的特大規(guī)模的泥石流災(zāi)害為例,通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取了泥石流的高精度三維影像數(shù)據(jù)及相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),該資料有效支撐了搶險(xiǎn)救災(zāi)及后期的災(zāi)后重建工作。董秀軍等[4]將三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用在汶川震后都汶公路的快速搶通中,效果十分明顯。黃潤(rùn)秋等[5]在四川漢源市猴子巖崩滑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急調(diào)查及危巖處理項(xiàng)目中,該技術(shù)發(fā)揮了十分重要的作用。

1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)是一種通過(guò)非接觸方式獲取空間多目標(biāo)三維實(shí)體數(shù)據(jù)的新興測(cè)量技術(shù)。它不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量方式,而是利用激光測(cè)距的原理,直接將各種大型、較為復(fù)雜的實(shí)體三維數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備發(fā)射和接收激光,進(jìn)而采集到計(jì)算機(jī)中,并快速重構(gòu)出實(shí)體的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)及相應(yīng)的三維模型體等各種幾何數(shù)據(jù)[6]。三維激光掃描系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成,其中硬件部分主要由三維激光掃描儀、電子計(jì)算機(jī)、電源、支架等,軟件部分主要為系統(tǒng)配套軟件,主要功能包括圖形拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪及修補(bǔ)、DEM的生成等。目前市場(chǎng)應(yīng)用較廣的三維激光掃描系統(tǒng)劃分為機(jī)載型和地面型。本次野外掃描工作采用加拿大Optech公司生產(chǎn)的IRIS 3D地面型三維激光掃描儀,三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件為Poly Works 10.1。

2 工程概況

二登巖崩塌位于四川省敘永縣震東鄉(xiāng)永興村G321國(guó)道1729+600 m左側(cè)陡崖,為國(guó)道修建時(shí)開(kāi)挖形成。崩塌體整體近西南至北東向展布,長(zhǎng)約125 m,高約18.00 m～26.00 m,地質(zhì)羅盤測(cè)量其坡向133°～141°,坡度較陡,為69°～82°,局部直立。坡面巖體大面積裸露,崩塌體巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)中厚層狀石灰?guī)r?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量崩塌體巖層產(chǎn)狀260°∠12°,巖體構(gòu)造節(jié)理和卸荷裂隙發(fā)育,主要發(fā)育兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理:L1:166°～173°∠70°～72°,L2:72°～77°∠82°～86°,巖體被卸荷裂隙、巖層面及構(gòu)造裂隙切割貫通呈塊狀、板狀,巖腔發(fā)育,崩塌體外側(cè)存在高陡臨空面,穩(wěn)定性較差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,二登巖崩塌災(zāi)害體共發(fā)育一個(gè)危巖帶,危巖帶面積約2 250 m2,危巖帶內(nèi)主要發(fā)育8處危巖單體,危巖體大多已有明顯卸荷變形跡象,根據(jù)定性分析結(jié)果其現(xiàn)狀呈欠穩(wěn)定狀態(tài)。危巖出露巖層為石灰?guī)r,裂隙發(fā)育間距較小,單個(gè)塊體體積大小不一,坡面植被發(fā)育,在根劈作用、暴雨或地震作用下可能發(fā)生破壞(見(jiàn)圖1)。近年雨季,多次發(fā)生較大規(guī)模崩塌,對(duì)下方國(guó)道路面造成破壞且嚴(yán)重威脅過(guò)往行人、車輛生命財(cái)產(chǎn)安全(見(jiàn)圖2)。

3 三維激光掃描

3.1 數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集

本次數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集工作采用加拿大Optech公司生產(chǎn)的IRIS 3D三維激光掃描儀。根據(jù)本工程邊坡地形地貌條件,選取了2個(gè)掃描機(jī)位點(diǎn),機(jī)位點(diǎn)位于視野開(kāi)闊、障礙物較少的地段,力求掃描范圍涵蓋研究區(qū)內(nèi)詳盡的地形、地貌及崩塌體立面特征。通過(guò)對(duì)場(chǎng)地周邊進(jìn)行踏勘,選擇在場(chǎng)地南東側(cè)一戶居民樓頂(點(diǎn)1)架設(shè)儀器,對(duì)崩塌體進(jìn)行正面全方位掃描。同時(shí),為提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和精度,在崩塌體底部(點(diǎn)2)對(duì)裂隙發(fā)育的WY1危巖體進(jìn)行細(xì)部掃描測(cè)量。機(jī)位點(diǎn)的定位信息見(jiàn)表1。

表1 機(jī)位點(diǎn)定位信息統(tǒng)計(jì)表

最終,本次現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作共耗時(shí)約3.5 h,共采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)6 647 367個(gè),針對(duì)危巖帶整體及局部典型危巖單體,從2處視角,分別掃描得到了2套點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用的軟件為Poly Works 10.1。主要數(shù)據(jù)處理內(nèi)容包括圖形拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪及修補(bǔ)、DEM的生成。

在Poly Work 10.1處理軟件中,數(shù)據(jù)處理主要流程為新建工程→圖形拼接→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→修補(bǔ)處理→模型生成→成果運(yùn)用。圖形拼接主要是運(yùn)用圖像相同部位進(jìn)行定位操作,選取相鄰兩幅掃描點(diǎn)云圖像的3處公共點(diǎn)(不在同一直線上)進(jìn)行拼接[7],最后得到的完整三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像由多幅不同視角獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像拼接而成,處理后得到的成果圖像見(jiàn)圖3。

現(xiàn)場(chǎng)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),參考點(diǎn)為掃描機(jī)點(diǎn)位置,且受現(xiàn)場(chǎng)條件(植被、電線桿等)的影響和限制,點(diǎn)云圖像會(huì)存在一定數(shù)量的干擾信息。鑒于以上原因,須進(jìn)行數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和去噪修補(bǔ)工作,使得掃描數(shù)據(jù)完整,且坐標(biāo)與大地坐標(biāo)一致。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是運(yùn)用圖像與實(shí)景相同部位測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)三維掃描點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)賦值,在本次測(cè)量過(guò)程中,在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇3處實(shí)景作為標(biāo)記點(diǎn),并通過(guò)實(shí)測(cè)其坐標(biāo),再進(jìn)行數(shù)據(jù)賦值,從而實(shí)現(xiàn)將整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為大地坐標(biāo)。為減少云數(shù)據(jù)處理的累計(jì)誤差,在提高掃描儀定位點(diǎn)精度的同時(shí),根據(jù)實(shí)地條件,力求選取的標(biāo)記點(diǎn)間隔較大距離,均勻分布于測(cè)區(qū)內(nèi)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)圖形拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪修補(bǔ)處理后,將地形數(shù)據(jù)以三維模型文件導(dǎo)出到其他軟件中進(jìn)行渲染,最終生成DEM模型。

4 成果應(yīng)用

4.1 巖體控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測(cè)

在崩塌勘查工作中,巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀是最基本的地質(zhì)參數(shù),是否能準(zhǔn)確獲取對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析起到很關(guān)鍵作用,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影響,導(dǎo)致傳統(tǒng)羅盤測(cè)量產(chǎn)狀的方法難以實(shí)現(xiàn),或某些區(qū)域由于受構(gòu)造影響,地層產(chǎn)狀在一定范圍內(nèi)具有較大的變化,三維激光掃描技術(shù)能有效解決準(zhǔn)確獲取巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀這一技術(shù)難題。雖然三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)處理軟件工具欄未直接提供產(chǎn)狀量測(cè)功能,但可以通過(guò)生成模擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)面,在結(jié)構(gòu)面上布設(shè)相關(guān)剖面,進(jìn)而量測(cè)結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù),通過(guò)參數(shù)的轉(zhuǎn)換計(jì)算,最終實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀量測(cè)的目的。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)獲取的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,邊坡體主要受二組陡傾的卸荷結(jié)構(gòu)面控制,由于平整的結(jié)構(gòu)面主要分布在陡壁上,難以直接測(cè)量其產(chǎn)狀,而利用數(shù)據(jù)處理后的成果能準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。主要通過(guò)在影響邊坡體的主要卸荷結(jié)構(gòu)面上,分別獲取三個(gè)不共線點(diǎn),通過(guò)這些點(diǎn)分別創(chuàng)建平面(見(jiàn)圖4),通過(guò)反復(fù)調(diào)整后,保證創(chuàng)建平面與結(jié)構(gòu)面盡量重合,通過(guò)查看每個(gè)面的屬性,讀取每個(gè)面的三個(gè)法向量,進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)平面的產(chǎn)狀。最終得到兩組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為L(zhǎng)1:176°∠75.2°,L2:80°∠83.6°,與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成果相符但更準(zhǔn)確。

4.2 崩塌體空間幾何參數(shù)量測(cè)

危巖區(qū)巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理裂隙將巖體切割形成不同形態(tài)的危巖體,一般情況下以小規(guī)模的落石剝落為主,暴雨及地震條件下可形成較大規(guī)模的崩塌,崩落物多以孤石、滾石為主,少量塊石,其落石大小受節(jié)理裂隙發(fā)育間距控制,運(yùn)動(dòng)形式多為滾落式,危害較大,可預(yù)見(jiàn)性差。形成的危巖體按其坡面形態(tài)特征主要分為鍥型、柱形和方形,其變形失穩(wěn)主要有三種方式:1)巖體下部存在巖腔,在巖體的自重作用下,巖體向下部巖腔發(fā)生掉塊,形成墜落式崩塌。2)由于下部破碎巖體已崩塌脫離母體,從而引起上部巖體失去下部巖體的支撐形成傾倒式破壞。3)由于破碎巖體沿外傾結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)脫離母體,從而引起上部巖體形成滑移式破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,二登巖崩塌破壞模式主要為墜落式,由于該類危巖體巖體結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育,且底部無(wú)支撐,為臨空面,受自身重力作用,在地震或者暴雨等外界因素作用下,巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度逐步降低,極可能發(fā)生墜落破壞。針對(duì)該類危巖體主要采用人工清危的處理措施,該項(xiàng)措施要求對(duì)危巖體的尺寸有較為準(zhǔn)確的測(cè)量,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影響,導(dǎo)致傳統(tǒng)皮尺、卷尺等測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)。造成設(shè)計(jì)工程量與實(shí)際施工工程量存在較大誤差,對(duì)項(xiàng)目投資和進(jìn)度造成不利影響。而利用三維激光掃描技術(shù)能有效解決這一難題。三維激光掃描技術(shù)處理軟件直接提供距離量測(cè)工具,通過(guò)錨定邊界點(diǎn)即可測(cè)量其距離。

在Poly Works 10.1中,將數(shù)據(jù)由對(duì)齊模塊輸入至檢測(cè)模塊,打開(kāi)點(diǎn)云數(shù)據(jù),選擇“創(chuàng)建向量特征”進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置就可以畫線或者量測(cè)距離。錨定選擇危巖體的邊界點(diǎn)即可量測(cè)其長(zhǎng)度、高度,危巖體厚度根據(jù)剖面圖及量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合取值。測(cè)量得到的危巖體幾何尺寸及體積見(jiàn)表2。

表2 危巖體幾何尺寸及體積統(tǒng)計(jì)表

4.3 地質(zhì)剖面的繪制

地質(zhì)剖面圖是按一定比例尺表示地質(zhì)剖面上的地質(zhì)現(xiàn)象及其相互關(guān)系的圖件。它是在勾繪出地形輪廓的剖面上進(jìn)一步反映出某一或某些地層的產(chǎn)狀、分層、巖性、化石產(chǎn)出部位、地層厚度以及接觸關(guān)系等地層的特征。按資料來(lái)源和精確程度,分為實(shí)測(cè)、隨手、圖切剖面圖等。實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面精度較高,對(duì)于崩塌工程治理設(shè)計(jì)有極為重要的指導(dǎo)作用,但受野外地形因素影響,在崩塌勘查中,實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面多數(shù)情況下實(shí)施難度大,常以圖切剖面代替實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面,但這有時(shí)也造成了較大誤差。三維激光掃描技術(shù)處理軟件可以利用掃描獲取的點(diǎn)云文件在邊坡任意位置作出地形剖面,從而為治理工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

在Poly Works 10.1中,利用檢測(cè)模塊中的Cross-Section選項(xiàng),選擇“創(chuàng)建斷面”,選擇對(duì)應(yīng)的方法可在邊坡任意位置作出地形剖面。錨定兩點(diǎn)形成剖面后,將剖面輸出成DXf格式文件,在AutoCAD中進(jìn)行調(diào)整及完善量測(cè)危巖體的平均厚度及高度,最終形成地質(zhì)剖面。危巖帶典型剖面圖成果見(jiàn)圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是“繼GPS技術(shù)后又一測(cè)繪技術(shù)創(chuàng)新”[8]。通過(guò)運(yùn)用該技術(shù)能有效地提高數(shù)據(jù)獲取的速度和精度,并由于其數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的特性,三維激光掃描技術(shù)將在各行各業(yè)蓬勃發(fā)展。將三維激光掃描技術(shù)引入并運(yùn)用在地質(zhì)災(zāi)害防治中,將會(huì)產(chǎn)生明顯的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本文在對(duì)危巖體特征進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,在相對(duì)復(fù)雜的地形條件和地質(zhì)環(huán)境中通過(guò)非接觸的方式掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù),并創(chuàng)建三維立體模型,從而準(zhǔn)確獲取崩塌體空間幾何參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地質(zhì)剖面、影像等數(shù)據(jù),并有效提高數(shù)據(jù)的精度,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及治理工程布設(shè)取得了很好的效果,對(duì)同類崩塌工程項(xiàng)目中危巖體的測(cè)量具有指導(dǎo)意義。