基于地面LiDAR的滑坡地表整體變形監(jiān)測

彭景顥 李少達 張博

摘 要：地面三維激光掃描技術以其高精度、連續(xù)性和非接觸的特點，能夠快速安全地獲取大范圍的點云數(shù)據(jù)。該文在滑坡地表的變形監(jiān)測中使用經(jīng)過配準的高分辨率地面LiDAR數(shù)據(jù)構建表面模型，利用穩(wěn)定區(qū)域作基準進行多期數(shù)據(jù)比對得到了滑坡地表形變區(qū)域的整體變形結果；能夠準確反映出整體形變趨勢。該文認為地面三維激光掃描技術在滑坡體監(jiān)測中具有配準誤差影響監(jiān)測精度和激光點云受植被影響的局限性，但其野外數(shù)據(jù)采集快速和人為干擾少的特點能夠提高監(jiān)測效率和監(jiān)測精度能夠促使該技術廣泛地應用于地質災害調(diào)查和監(jiān)測預警工作。

關鍵詞：地面三維激光掃描 滑坡監(jiān)測 整體變形監(jiān)測 點云配準

中圖分類號：P64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0008-04

Terrestrial Laser Scanning Technique to Monitor Surface Landslide Overall Deformation

Peng Jinghao1 Li Shaoda1，2 Zhang Bo1

（1.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology；2.Key Laboratory of Geosciences Spatial Information Technology，Ministry of Land and Resources of the P.R.China， Chengdu， 610059，China）

Abstract：Terrestrial laser scanning technique for its high accuracy， continuity and non-contact， can obtain a wide range of point cloud data quickly and securely. Through the registration， high-resolution terrain LiDAR data can construct triangles model for deformation monitoring of landslide surface. Using stable data as a reference to compare multitemporal data obtained the overall deformation results and trend. This paper argues that registration error and effect of vegetation makes TLS limit， but its rapid data acquisition and less human interference characteristics can improve the efficiency of monitoring and monitoring precision. TLS technology will be widely used in geological disaster monitoring investigation and warning.

Key Words：Terrestrial laser scanning；Landslide Monitoring；Overall deformation monitoring；Point cloud registration

近年來地震頻發(fā)，高陡邊坡和崩塌、滑坡體越來越受到關注。在自然條件和一定人為破壞的影響下發(fā)生垮塌產(chǎn)生的危害以及后續(xù)產(chǎn)生的次生危害已為人們所熟知。對于已發(fā)生垮塌的滑坡體的研究和對已發(fā)生形變且垮塌后可能造成損失的滑坡體的監(jiān)測都具有重大意義[1]。及時且準確地對滑坡變形體進行監(jiān)測能夠掌握滑坡地表形變的方式和形變量，輔助預測變形趨勢。目前，對于滑坡體的變形監(jiān)測已有多種方式和手段。最多見的是在滑坡體關鍵部位布設人工監(jiān)測點構成監(jiān)測網(wǎng)，采用全站儀或GPS獲取監(jiān)測點的坐標值。這樣的方法能夠得到精確的點位坐標，能夠靈敏地捕捉到點位的變化信息，獲取水平位移、垂直位移及變化速率。同時還需進行滑坡體表面傾斜測量和地表裂縫監(jiān)測。這些方法都缺乏整體變形資料。而滑坡變形的諸多細節(jié)變化對正確的變形分析有著重要作用。況且人工特征點的布設受到滑坡體的地形地貌和地質條件的影響且具有一定的危險性。對于變化較快較大的滑坡體，人工布設特征點還容易遭到破壞。

滑坡體變形監(jiān)測中三維激光掃描技術的引入，實現(xiàn)了由單點到面的監(jiān)測，可大范圍獲取高分辨率的海量數(shù)據(jù)，在靜態(tài)形狀測量中已獲得了成功的應用。然而，當前使用地面三位激光掃描（Terrestrial laser scanning， TLS）進行大面積滑坡整體變形監(jiān)測的并不多見，而是多用于快速獲取滑坡區(qū)域地形圖和小范圍具有穩(wěn)定參考點的滑坡區(qū)域的變形監(jiān)測。利用TLS來對滑坡體進行監(jiān)測具有重大意義，尤其是對于需要大范圍快速采集數(shù)據(jù)的危險地區(qū)。徐進軍等人利用TLS獲取點云數(shù)據(jù)，并在其上的自然特征地物、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)測點以估算整體的形變[2]。國內(nèi)TLS技術在滑坡監(jiān)測領域的研究成果較少，整體滯后于國外，但正在逐步發(fā)展。

1 點云配準

在不同時期對同一區(qū)域進行點云數(shù)據(jù)掃描，能夠使用相應的點云模型進行比對得到地表形變信息[3]。通過三維激光掃描獲取海量點云數(shù)據(jù)，必須通過點云數(shù)據(jù)預處理以獲得可以用于研究和分析的點云。點云數(shù)據(jù)預處理包括數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的編輯、數(shù)據(jù)配準、及數(shù)據(jù)簡化與合并以及點云濾波。經(jīng)過點云數(shù)據(jù)預處理之后能夠得到具有統(tǒng)一坐標系無冗余數(shù)據(jù)和噪聲影響的完整點云數(shù)據(jù)。其中，點云配準至關重要。采集點云數(shù)據(jù)的時候，往往由于單幅數(shù)據(jù)無法覆蓋整個區(qū)域，需要進行多次掃描或設置多個掃描測站得到多幅點云數(shù)據(jù)。每次掃描基于不同的坐標系統(tǒng)，為了完整地重構地表形狀，需將所有基于不同視角獲取的點云轉換至統(tǒng)一的坐標系下，這個過程就稱為點云配準。

點云配準包括兩個步驟：對包含重疊區(qū)域的兩幅點云采用兩視配準的方法在重疊區(qū)域選取3至5對同名點進行初步配準；采用最近鄰點迭代算法（Iterative Closest Points，ICP）進行精確配準，通過迭代獲得均方差最小的最優(yōu)化配準結果。

對于多期的點云模型進行比對時，選取數(shù)據(jù)采集時多余觀測測的穩(wěn)定區(qū)域作為坐標基準，采用點云配準的方法使用多期穩(wěn)定區(qū)域間的空間變換關系將多期點云統(tǒng)一到同一坐標系，無需額外設置固定掃描站。

2 滑坡監(jiān)測

三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集

實驗使用加拿大Optech公司生產(chǎn)的ILRIS-3D儀器采集得到研究區(qū)域的三維點云數(shù)據(jù)。研究區(qū)域為尾礦區(qū)人工堆積體的一片滑坡地表區(qū)域，位于西昌市太和鎮(zhèn)，太和鐵礦尾礦區(qū)。堆積體為當?shù)夭傻V企業(yè)進行礦產(chǎn)開采后將當前技術、條件下無法有效利用的部分礦渣，與一些沙土、巖屑一道人為集中堆積而形成。堆積體變形發(fā)展緩慢，經(jīng)過了數(shù)十年的堆積。研究區(qū)域面積較大，無法一次掃描獲取變形區(qū)域完整的數(shù)據(jù)，合理設置掃描測站以覆蓋整個滑坡區(qū)域，同時相鄰的點云數(shù)據(jù)具有10%以上的重疊區(qū)域以保證多幅點云數(shù)據(jù)的準確配準。因此一共設置五個掃描測站進行分塊掃描，經(jīng)過拼接能夠得到完整的研究區(qū)域點云數(shù)據(jù)。

實驗采用了于2014年4月、5月和10月對尾礦去堆積體進行了三維激光掃描獲取的表面點云數(shù)據(jù)的部分區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法多是對關鍵部位布設監(jiān)測點進行局部人工觀測，配合裂縫觀測綜合分析滑坡的趨勢，主觀性強，人為干擾多。應用TLS開展邊坡調(diào)查實現(xiàn)了由單點到面的監(jiān)測，可以通過設置合理的空間采樣間距，大范圍地獲取海量的高分辨率數(shù)據(jù)，進而判斷形變區(qū)域、形變趨勢和形變量[4]。使用TLS能夠大幅提高野外數(shù)據(jù)采集的速率和準確性，使得監(jiān)測效率提高且由于其遠距離獲取的特性使得野外工作的安全系數(shù)得以提高。

地面三維激光掃描儀獲取的原始點云數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪和配準，合并為一幅點云數(shù)據(jù)。將前一期的點云數(shù)據(jù)構建表面模型作為參考，將后一期的數(shù)據(jù)作為比較數(shù)據(jù)來進行整體比對，并用色譜圖直觀地表現(xiàn)出來。通過比對的結果可以清楚地知道邊坡上每個區(qū)域的變動情況。可以看出，4～5月間變動區(qū)域較小，第三期的比對結果表明變動區(qū)域明顯增大且變化更大，可能與6～9月之間西昌地區(qū)頻繁降雨有關。整體上變化的趨勢是一致的，整個堆積體部分向外滑移。

4 結語

綜上所述，TLS技術能夠在滑坡體監(jiān)測中得到整體的形變結果，與以往的點監(jiān)測相比，三維激光掃描儀的單點精度低于全站儀和GPS，但通過大密度的點云掃描數(shù)據(jù)構建的表面模型接近真實表面。實現(xiàn)了面上監(jiān)測，更客觀直接地反映出變化區(qū)域和變化量，更夠準確反映出形變趨勢。地面三維激光掃描技術作業(yè)過程中人為干預少，尤其是在數(shù)據(jù)的采集階段，這極大地減少了人為因素造成的誤差，而其本身的測量精度可達毫米級，這樣采集的數(shù)據(jù)在后期處理和監(jiān)測工作中具有很大的優(yōu)勢。在危險區(qū)域，遠距離非接觸式的激光測量方式，可以快速掃描獲取地表的三維坐標信息，避免了滑坡地表的不穩(wěn)定的潛在危險。

使用該文的方法進行滑坡體監(jiān)測，點云配準過程中產(chǎn)生的誤差是點云數(shù)據(jù)誤差的主要來源。激光點云掃描時是對目標區(qū)域的等間距采樣，多次對同一區(qū)域掃描無法獲得同一掃描點，因此多期數(shù)據(jù)就不存在真正意義上的同名點對。該文的方法采用選取特征地物點的方法進行配準，選取的也不是真正的同名點。經(jīng)過ICP算法的精確配準只能保證擬合在一定限差范圍內(nèi)，配準精度影響多期數(shù)據(jù)比對結果的精度。在植被茂盛的區(qū)域，點云數(shù)據(jù)受植被影響大，無法測量到地形表面，將對結果精度產(chǎn)生影響。

目前使用地面三維激光掃描技術對滑坡體的監(jiān)測正處在一個發(fā)展階段，技術上還存在一些不足，但隨著技術的逐步成熟這項技術將會更好地服務于地質災害調(diào)查和監(jiān)測預警工作中。完善TLS監(jiān)測系統(tǒng)，提高監(jiān)測精度以及與其他新測繪技術的相結合仍是TLS技術與滑坡監(jiān)測的發(fā)展方向。

參考文獻

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