大型崩滑災害變形三維激光掃描監(jiān)測技術研究

褚宏亮，殷躍平，曹 峰，隋立春，李 濱

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081;2.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西西安 710061;3.北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871)

三維激光掃描技術是近年來出現(xiàn)的全新的測繪技術，它突破了傳統(tǒng)單點測量方法的不足，實現(xiàn)了對面的測量，具有獲取數(shù)據(jù)速度快、成果精度高、非接觸測量等諸多優(yōu)勢。三維激光掃描技術已經(jīng)被應用到各個行業(yè)領域工作中，如建筑修復、森林和農(nóng)業(yè)資源調(diào)查、交通事故現(xiàn)場模擬、巖體結(jié)構面統(tǒng)計等［1～2］。近年來，學者們開始探索三維激光掃描技術在地質(zhì)災害領域工作中的適用性［3～6］，如趙國梁等［3］應用三維激光掃描技術較好地分析了四川達竹礦務局柏林煤礦滑坡區(qū)地表移動的特殊規(guī)律和適用性;董秀軍等［4］將三維激光掃描技術應用于高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中，完成了地質(zhì)結(jié)構面產(chǎn)狀的測量、高陡邊坡地表節(jié)理裂隙調(diào)查、輔助地質(zhì)編錄等工作;徐進軍等［5］通過對實驗室滑坡模型和三峽庫區(qū)某現(xiàn)場滑坡的變形監(jiān)測，將三維激光掃描技術引入到滑坡變形監(jiān)測與分析中。已有研究表明:受掃描速率、掃測距離、地質(zhì)工程需求等具體條件的影響，該技術在解決復雜地質(zhì)環(huán)境條件下地質(zhì)災害的監(jiān)測有一定能力但也有所限制。

1 三維激光掃描技術原理與儀器現(xiàn)狀

1.1 掃描原理與原始數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術工作原理，以脈沖式為例，是基于激光測距原理來確定目標體的空間位置。儀器測量每個激光脈沖從發(fā)出到被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間來計算距離，同時編碼器測量每個脈沖的角度，可得到被測物體三維真實坐標。經(jīng)過軟件處理，實現(xiàn)實體建模輸出［6］。

三維激光掃描儀通過脈沖測距法獲得測距觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。三維激光掃描測量使用儀器內(nèi)部坐標系統(tǒng) Pi，X軸在水平向，Y軸在水平向與X軸垂直，Z軸與X、Y軸平面垂直［6］。由此可得三維激光腳點 P坐標(X，Y，Z)的計算公式如圖1。

圖1 三維激光掃描儀空間坐標示意圖Fig.1 Coordination system of 3D scanner

1.2 儀器分類

(1)按照掃描獲取的精度和作用距離來劃分，可分為近距離掃描儀、中遠距離工程型掃描儀和長距離機載掃描儀。

(2)按照掃描儀承載介質(zhì)的不同，可分為手持型掃描儀、地面型掃描儀、車載型掃描儀和機載型掃描儀。

(3)按照掃描儀的工作原理來分，又可分為基于飛行時間的脈沖式掃描儀和基于相位波測距的相位式掃描儀。

2 地質(zhì)災害三維激光掃描調(diào)查

當前滑坡崩塌災害野外調(diào)查測量多以全站儀、靜態(tài)GPS、RTK等方法來開展工作，其測量理論基礎是具有共性的。但是，由于地形條件的限制，尤其是高陡巖體崩塌，傳統(tǒng)的人工實地接觸式調(diào)查方法很難達到預期的效果。三維激光掃描技術作為傳統(tǒng)調(diào)查方法的有益補充，可快速有效解決高陡災害體的精細化測量需求。本文以甑子巖大型危巖體為例，研究和總結(jié)三維激光掃描技術在地質(zhì)災害調(diào)查測量中的技術流程。

2.1 數(shù)據(jù)采集與DEM建模

重慶南川甑子巖危巖體位于南川區(qū)金佛山南坡，危巖高約400 m。2004年8月12日W12危巖體發(fā)生大規(guī)模崩塌;2008年5月12日受汶川地震影響，發(fā)生小規(guī)模崩塌［8］。由于接觸式測量困難，因此采用Leica HDS8800［9］三維激光掃描儀對危巖體掃描，獲取其表面的點云數(shù)據(jù)(圖2)。在數(shù)據(jù)處理中，首先要進行濾波，以刪除由于被測物體表面的粗糙度、波紋以及其他一些表面缺陷或者是掃描儀器本身性能等因素導致的噪聲點［10］。去除噪聲分為手動刪除和自動濾波兩種方法，手動刪除主要用于較為明顯的特征地物。自動濾波可通過聚類算法提取噪聲點然后刪除，或用數(shù)學形態(tài)學算法提取體外懸浮點。

圖2 甑子巖危巖體點云和建模結(jié)果Fig.2 Point cloud and the Zengziyan model

濾波完成后，進行建模工作。DEM模型是后續(xù)開展野外調(diào)查工作的基礎?？筛鶕?jù)點云數(shù)據(jù)特征把數(shù)據(jù)分割成不同的區(qū)域分別建模后再進行合并(圖2)。

2.2 等高線的提取

在特殊災害點或重點地段的大比例尺測繪中，傳統(tǒng)測量方法很難實現(xiàn)陡崖地形測繪。首先，人們很難到達陡崖之上實地測量;其次，在成果表達上，陡崖地形的等高線會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。無論是從精度上還是成果表現(xiàn)上，陡崖地形的傳統(tǒng)測量方法都略顯粗糙，而用三維激光掃描技術則能很好地解決上述問題。

在成果表達上基于三維本身的立體特性，以DEM模型為基礎生成等高線，可以很好地表現(xiàn)出地形變化(圖3)，克服傳統(tǒng)等高線測繪技術對陡崖地形繪制的重疊問題，更加具有表現(xiàn)力。在精度上，以Leica HDS 8800掃描儀為例，其100 m處采樣點間距的標定值為2 cm，以此推算，1000 m處采樣點間距約為20 cm。即便考慮到剔除噪音數(shù)據(jù)或針對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)濾波等采樣點的后處理工作［11］，20 cm的選點采樣精度對于大比例尺地形成圖來說，是可以滿足精度要求的。

圖3 甑子巖危巖體局部等高線圖Fig.3 Contour map of the Zengziyan unstable rock

2.3 體積參數(shù)的推算

以DEM建模和等高線提取為基礎，可對災害體規(guī)模、形態(tài)和結(jié)構進一步標定，并解算相關體積參數(shù)，提供量化數(shù)據(jù)基礎。

以甑子巖2004年崩塌區(qū)域為例，在已生成的甑子巖DEM模型基礎上，模擬2004年崩塌區(qū)域發(fā)生崩塌前的外表面，與現(xiàn)階段DEM模型形成閉合區(qū)域并測算其體積約為17.9×104m3(圖4)，即可以推測2004年崩塌體體積約為17.9×104m3。

從2004年崩塌危巖裸露部分可以看出，甑子巖危巖體頂部平臺卸荷裂隙已經(jīng)全面貫通(圖5)，受風化作用、大氣降水、地下水等因素作用，陡崖下部頁巖、泥質(zhì)膠結(jié)的石灰?guī)r風化、軟化、崩解，形成空腔，在上覆巖體自重力作用下向臨空方向產(chǎn)生進一步變形，陡傾角裂隙帶進一步拉裂擴張，有大規(guī)模崩塌隱患。在已生成DEM模型基礎上，沿卸荷裂隙方向創(chuàng)建平面，與危巖體臨空面形成閉合區(qū)域，即崩塌隱患區(qū)域，可計算出閉合空間體積約為124×104m3。

圖4 閉合區(qū)域體積計算Fig.4 Volume calculation of closed area

圖5 已貫通的卸荷裂隙Fig.5 Stress-release on cracked coalescence

三維激光掃描技術的應用，使得災害體積參數(shù)的推算尤其是復雜地質(zhì)環(huán)境下無法開展野外實地測量的災害體的體積參數(shù)的推算更加精確，為開展預警預報工作以及有針對性地制定防治預案提供了詳實的基礎數(shù)據(jù)。

3 地質(zhì)災害三維激光掃描形變監(jiān)測

傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法多是基于對形變部位的判斷而開展局部形變監(jiān)測工作，屬于逆向監(jiān)測思維，主觀性強，人為預判因素多。應用三維激光掃描開展形變監(jiān)測則實現(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)，進而判斷出形變區(qū)域、形變趨勢和形變量。由于具有合理的空間采樣間隔，大幅度提高了數(shù)據(jù)采集速率和監(jiān)測效率，提高了野外工作安全系數(shù)。下面分別以滑坡和高陡危巖體為例，分析總結(jié)三維激光掃描監(jiān)測中點、線、面相結(jié)合的形變監(jiān)測方法。

3.1 滑坡監(jiān)測

遼寧某大型滑坡，南北向縱長約1200～1500 m，東西向橫寬約3100 m，滑面埋深大于50 m，為深層滑坡，估算總體積約1×108m3?；卤眰?cè)為露天礦坑南幫，坑下有露天開采活動?；潞缶壯貣|西方向發(fā)育有兩條近平行的拉張裂縫(圖6)，兩條裂縫均持續(xù)垂直錯落和水平張裂，且呈現(xiàn)加速趨勢，日形變量達到10 cm以上。

圖6 1、2號縫臨空面重點監(jiān)測區(qū)域Fig.6 Key monitoring area of fracture 1#and 2#

為掌握后緣坡體破裂沉陷變形的整體性規(guī)律，分別于2013年11月17日和12月17日，在滑坡體后緣1、2號縫南側(cè)，運用Riegl VZ1000掃描儀針對臨空面進行三維激光掃描，獲得兩期掃描數(shù)據(jù)，通過面上對比和點上對比2種方法解譯2處裂縫1個月內(nèi)變形規(guī)律和形變值。

(1)面上對比

運用三維激光掃描儀獲得原始點云數(shù)據(jù)后，剔除噪音，將第一期1、2號縫區(qū)域點云單獨提取后，進行封裝建模。將第二期1、2號縫處點云數(shù)據(jù)提取，與第一期封裝模型進行對比分析，比較該區(qū)域變形趨勢及變形量，并用色譜圖直觀表現(xiàn)出來(圖7、8)。從對比分析檢測圖上可以看出，滑坡后緣1、2號縫臨空面同時向北側(cè)整體移動，從色譜圖上看均屬冷色調(diào)，即負值。1號縫移動速率較2號縫快(深藍色)，1個月內(nèi)向北移動約3.30～3.90 m;2號縫區(qū)域(淺藍色)移動速率相較于1號縫慢，1個月內(nèi)向北移動1.40～1.95 m。

(2)點上對比

三維激光掃描技術針對同一物體掃描2次，2次的掃描數(shù)據(jù)中不會出現(xiàn)同名點。所謂的點上對比，是指被掃描物體上突出的、具有代表性的、通過對大量掃描點進行統(tǒng)計分析和擬合出來的特征點的比較。在面上對比分析的基礎上，提取1、2號縫臨空面上具有代表性區(qū)域的特征點進行兩期數(shù)據(jù)對比，結(jié)果見圖9，特征點信息見表1?？梢钥闯觯c上對比分析可以很好地反映滑坡體的移動趨勢和x、y、z三軸方向的分項位移量，垂直錯落和水平張裂得以量化分析，1、2號縫的不同步移動規(guī)律得以體現(xiàn)，相對于2號縫，1號縫的垂直錯落和水平張裂速度明顯更快。

圖7 1、2號縫代表性區(qū)域兩期數(shù)據(jù)對比分析監(jiān)測圖Fig.7 Analysis of two different phases in the area of fracture 1#and 2#

圖8 1、2號縫監(jiān)測區(qū)域形變偏差分布圖(橫向坐標為變形量、縱向坐標為百分比)Fig.8 Distribution chart of deformation on the area of fracture 1#and 2#(Horizontal is the changed value;vertical is the percentage)

圖9 1、2號縫代表性特征點形變對比監(jiān)測圖Fig.9 Deformation monitoring on the feature point in the area of fracture 1#and 2#

表1 1、2號縫代表性特征點監(jiān)測信息表Table 1 Monitoring information on the feature points of the fracture 1#and 2#

運用面上對比的方法，針對災害體提取形變區(qū)間、形變趨勢、形變量等相關參數(shù);運用點上對比的方法，可以很好地反映災害體上具有代表性的特征點的分項位移量。兩種對比方法相結(jié)合，對于災害體形變趨勢及運動規(guī)律的總結(jié)分析有著至關重要的數(shù)據(jù)支撐作用。

3.2 高陡危巖體監(jiān)測

雞冠嶺危巖體位于重慶武隆興順鄉(xiāng)，烏江在此段切割強烈，形成峽谷地形。雞冠嶺危巖地處桐麻灣背斜核部地層中，地形陡峭，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，由灰?guī)r和頁巖夾煤層組成，具有上硬下軟的地質(zhì)結(jié)構特征。烏江兩岸形成比較對稱的高陡巖質(zhì)邊坡，為發(fā)生大型崩塌提供了地形條件。

在2012年和2013年期間，運用徠卡HDS8800三維激光掃描儀多次針對雞冠嶺危巖體開展三維激光掃描形變監(jiān)測工作。下面以2012年10月和2013年10月2期數(shù)據(jù)為例進行高陡危巖體的形變對比分析。高陡危巖體同滑坡不同，短時間內(nèi)不易受到風化或雨水侵蝕的影響，結(jié)構面相對穩(wěn)定，所以在面上對比和點上對比基礎上，加入結(jié)構面剖面線對比，多角度反映危巖體剛性形變。

(1)面上對比和點上對比

面上對比、點上對比的監(jiān)測方法同滑坡監(jiān)測方法相同，首先，提取雞冠嶺點云數(shù)據(jù)(圖10)，并對原始點云數(shù)據(jù)進行處理，剔除噪音數(shù)據(jù)后進行封裝建模。然后，選取雞冠嶺危巖體上無植被覆蓋區(qū)域(臨空面左上角紅線方框區(qū)域)進行2期數(shù)據(jù)的面上對比和點上對比(圖11)。

危巖體表面的變化表現(xiàn)出整體的、鋼性的三維變化。從圖11可以看出，最外側(cè)臨空面形變以紅色黃色為主，逐步過渡到中間部位的以黃綠色段為主，靠近最內(nèi)側(cè)區(qū)域則以藍色段為主，由外到內(nèi)，形變量由正值逐步過渡為負值，由此可以判斷出，該危巖體在Z軸方向上存在著一個順時針方向幅度微小的扭曲變形，這也很好地體現(xiàn)了危巖體剛性形變的特點。

圖10 雞冠嶺危巖體點云數(shù)據(jù)Fig.10 Point cloud of the Jiguanling unstable rock

圖11 2期危巖體形變和特征點對比分析監(jiān)測圖Fig.11 Deformation monitoring of the unstable rock and the feature points in different times

(2)結(jié)構剖面線對比

首先在2期數(shù)據(jù)的模型上設置橫向剖面。剖面的位置可以選取在結(jié)構面特征較明顯的位置，也可以選取在面對比和點對比的監(jiān)測圖中形變量較為明顯的區(qū)域。剖面與2期數(shù)據(jù)模型相切得到剖面線(圖12)，其中紅色線條為2012年10月危巖體結(jié)構面剖面線，藍色線條為2013年10月危巖體結(jié)構剖面線。由于線性對比在形變量很小時，不宜用色譜對比分析的方法表示，所以將其中一條剖面線還原成點云數(shù)據(jù)格式，通過點云與剖面線對比的方法表示結(jié)構面的變化(圖12)。從剖面線對比分析監(jiān)測圖可以看出，由于危巖體表面塊體結(jié)構的特點，各個位置的位移和變化在各個方向上都有所體現(xiàn)。

圖12 兩期危巖體剖面線(上)和相對位移監(jiān)測結(jié)果(下)Fig.12 Profiles of the rock body(above)and the monitoring on rock surface displacement(below)in two phases

三維激光掃描技術形變監(jiān)測不同于以往的單點監(jiān)測測量，是通過針對形變監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量空間點云數(shù)據(jù)的相對位移的監(jiān)測來實現(xiàn)面上的監(jiān)測。通過實際應用可知，運用三維激光掃描技術針對滑坡、危巖體進行形變監(jiān)測，通過點、線、面相結(jié)合的方法，不僅可以推斷其形變趨勢和形變量，還可通過數(shù)據(jù)分析，認識相關運動規(guī)律，這是險情預判和重點部位處置的關鍵依據(jù)。

4 三維激光掃描技術優(yōu)勢及局限性

4.1 技術優(yōu)勢

(1)獲取數(shù)據(jù)速度快

在地形測量與形變監(jiān)測中，三維激光掃描技術可以快速獲取被測目標體表面的整體信息，實現(xiàn)面監(jiān)測，更加客觀、直接地反映出目標體上的變化區(qū)域和變化量，可以更加準確地反映出目標體形變趨勢，為預警預報工作提供數(shù)據(jù)支持。

(2)測繪結(jié)果精度高

點云數(shù)據(jù)精度主要受單點精度、角度精度等因素控制。三維激光掃描儀的單點和角度精度均低于全站儀，但三維激光掃描技術的特點與優(yōu)勢并不在于單點測量，而是通過對目標體表面的測量來進行擬合建模，生成表面模型。如圖13所示，三維激光掃描儀對目標體表面(圖中實線部分)進行掃描并獲取點云數(shù)據(jù)，通過軟件可對這些數(shù)據(jù)點云進行統(tǒng)計并擬合出一個表面(圖中虛線部分)，點云密度越大，擬合表面越接近真實表面，相對誤差也就越小，精度大幅度提高［12］。

(3)非接觸測量更安全

圖13 掃描儀獲取點云示意圖Fig.13 Point cloud from 3D laser scanner

三維激光掃描技術采用遠距離非接觸掃描目標的方式進行測量。對于在我國西南峽谷地區(qū)、黃土高原地區(qū)等傳統(tǒng)測量方法無法或難以開展野外調(diào)查測量工作的地區(qū)，該技術起到了有益的補充作用。在突發(fā)地質(zhì)災害情況或?qū)﹄U情認知不充足，是否伴隨次生災害等情況不明了時，遠距離非接觸的測量和監(jiān)測方法使得調(diào)查人員的安全得以保障。

4.2 復雜環(huán)境下的局限性

(1)測量距離有限。實際的操作當中，掃描儀的實際有效距離約為1.5～2 km。針對大型的滑坡或危巖體等災害體的掃描，有效測量距離的限制使得測站點增加，進而降低監(jiān)測效率。這對于特大型的地質(zhì)災害調(diào)查與監(jiān)測工作是明顯制約。

(2)受植被影響較大。由于三維激光掃描儀只能獲得物體表面的三維坐標，當滑坡、危巖體表面有大量的植被覆蓋時，三維激光掃描儀無法測量到地形表面，雖經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理，仍會對最終成果精度產(chǎn)生影響。

(3)變形監(jiān)測工作流程有待優(yōu)化。不同于以往的單點監(jiān)測，對災害體表面形變的分析和監(jiān)測較為復雜。災害體表面變化是復合的、三維的，不完全局限于水平方向或垂直方向。三維激光掃描技術對災害體進行變化分析和形變監(jiān)測是一個新的課題，需要在形變監(jiān)測的工作流程、觀測方案優(yōu)化以及數(shù)據(jù)處理方法上進行研究和優(yōu)化，以滿足工程監(jiān)測精準性、全面性和完整性的要求。

5 結(jié)論與展望

本文針對地質(zhì)災害的野外調(diào)查與監(jiān)測工作中的三維激光掃描技術的案例研究，系統(tǒng)探討了地形構建、DEM建模和幾何量測等快速調(diào)查方法，提出了點、線、面相結(jié)合的災害地質(zhì)體形變監(jiān)測技術;系統(tǒng)比較和分析了三維激光掃描技術在滑坡、崩塌調(diào)查監(jiān)測中技術優(yōu)勢和局限性，提出了其在地質(zhì)災害快速調(diào)查識別與監(jiān)測中的技術方法、操作流程和成果表達形式，并對該技術在現(xiàn)階段應用的限制做了一些探討。展望未來，該項技術提升的空間還很大，適用范圍也會越來越廣。隨著三維激光掃描技術的逐步成熟，該項技術將會更好地服務于地質(zhì)災害的調(diào)查、排查以及監(jiān)測預警工作。

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