三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

田鵬

（新疆維吾爾自治區(qū)第二測(cè)繪院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

滑坡是自然災(zāi)害中危害性大且頻發(fā)的事件，會(huì)危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。采用合理的監(jiān)測(cè)手段來(lái)預(yù)測(cè)滑坡發(fā)生時(shí)間，提前做好預(yù)防措施，可以盡可能地減少乃至防止滑坡造成的損失，達(dá)到預(yù)防滑坡災(zāi)害的效果。因此，開(kāi)展滑坡變形監(jiān)測(cè)，對(duì)了解滑坡變形狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，我國(guó)有不少學(xué)者對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)做出了一定貢獻(xiàn)，例如，褚宏亮對(duì)地形構(gòu)建數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM），來(lái)推斷滑坡形變趨勢(shì)和形變量[1]。劉錦程通過(guò)建立滑坡體高精度DEM，對(duì)土方量進(jìn)行比較，從而對(duì)滑坡變形進(jìn)行分析[2]。劉昌軍運(yùn)用改進(jìn)后的基于八叉樹(shù)的Hausdorff 距離算法，實(shí)現(xiàn)了兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直接比較[3]。姚艷麗等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了灰色模型應(yīng)用于滑坡控制點(diǎn)三維坐標(biāo)位移預(yù)測(cè)的適用性[4]。郭獻(xiàn)濤等提出了用最小二乘三維表面匹配算法來(lái)獲取滑坡變形信息[5]。這一系列研究都對(duì)滑坡變形監(jiān)測(cè)做出了貢獻(xiàn)，但這些方法與三維激光掃描技術(shù)相比，在數(shù)據(jù)獲取速度、監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含信息等方面有著質(zhì)的差別。利用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取大量滑坡表面點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理及建模后可以得到滑坡體地表的整體變化信息，可以更直觀地觀測(cè)滑坡體變化[6]。

2 滑坡變形監(jiān)測(cè)方法分析

2.1 全站儀測(cè)量技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)方法

基于全站儀測(cè)量技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)方法，通常是指利用常規(guī)的光學(xué)或者電子測(cè)量?jī)x器，采用周期性的大地測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量角度、距離、高差等數(shù)據(jù)，再通過(guò)構(gòu)網(wǎng)法、交會(huì)法、極坐標(biāo)法、測(cè)線法等，監(jiān)測(cè)滑坡體的位移，進(jìn)而得到變形的方向、速度和加速度等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)精度最高能達(dá)到毫米級(jí)，符合變形監(jiān)測(cè)要求，是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量方法之一。

2.2 精密近景攝影測(cè)量變形監(jiān)測(cè)方法

利用精密近景攝影測(cè)量變形監(jiān)測(cè)方法，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定設(shè)置在待監(jiān)測(cè)的滑坡體周?chē)€(wěn)定區(qū)域，分時(shí)段對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件分析處理后得到變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后通過(guò)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)期的坐標(biāo)變化差值來(lái)得到滑坡的情況。這一方法不需要接觸物體，適合各種惡劣環(huán)境，但設(shè)備昂貴，而且監(jiān)測(cè)質(zhì)量不佳。

2.3 GPS 變形監(jiān)測(cè)方法

在滑坡體表面任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，用接收機(jī)在高度角200 以上觀測(cè)到4 ～5 顆衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，通過(guò)接收機(jī)體來(lái)測(cè)定目前點(diǎn)位至衛(wèi)星的距離，經(jīng)技術(shù)處理后，得到待測(cè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。利用GPS 變形監(jiān)測(cè)方法可以全天候進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)可測(cè)定點(diǎn)的三維位移，測(cè)量精度高，但是點(diǎn)位選擇的自由度較低，且算法復(fù)雜。

2.4 基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)方法

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量方法，也是快速有效獲取體表數(shù)據(jù)的方式之一，可利用激光掃描獲取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，直觀反映滑坡體表面的實(shí)時(shí)形態(tài)。該方法測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，可以更加直觀地呈現(xiàn)滑坡體的變形情況。

3 三維激光掃描技術(shù)基本原理

三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用脈沖測(cè)距法來(lái)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)與觀測(cè)站之間的距離，然后，再測(cè)量橫向觀測(cè)角和縱向觀測(cè)角，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)后通過(guò)公式計(jì)算便可得出任意測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描工作原理如圖1所示。

圖 1 三維激光掃描工作原理

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

4.1 去除噪聲

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，因受到被觀測(cè)體表面環(huán)境復(fù)雜、測(cè)量?jī)x器精度、工作人員的經(jīng)驗(yàn)等因素影響，會(huì)產(chǎn)生一些測(cè)量誤差點(diǎn)，影響后續(xù)的模型建立。因此，為了減少誤差，需要盡可能地去除這些噪聲點(diǎn)。通過(guò)肉眼判定，可以直接刪除易判別的異常點(diǎn)和散亂點(diǎn)；一般情況下，激光掃描儀的高度不變，通過(guò)與參照的高度值進(jìn)行對(duì)比，刪除高度偏差較大的點(diǎn)。

4.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接可以通過(guò)數(shù)據(jù)或者圖形進(jìn)行。通過(guò)數(shù)據(jù)拼接，一般要求各點(diǎn)云間有明顯特征，即在掃描的點(diǎn)云中有同名點(diǎn)的存在。如果特征不明顯，可以在測(cè)量目標(biāo)上人工粘貼一些特征點(diǎn)，如標(biāo)靶等。通過(guò)圖形拼接，要對(duì)點(diǎn)云的局部造型進(jìn)行處理，然后再拼接，但是通常情況下局部造型比較難處理，拼接效率太低。拼接完成后還需去掉各點(diǎn)云重疊的冗余數(shù)據(jù)，才能得到一個(gè)完整點(diǎn)云。

4.3 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云濾波主要有曲率濾波、平均濾波和高斯濾波三種方法。曲率濾波法的關(guān)鍵是分析曲率的變化，通過(guò)變化來(lái)選取數(shù)據(jù)，在曲率變化大的地方多選取數(shù)據(jù)，在曲率變化小的地方盡量少選取數(shù)據(jù)，這樣就可以過(guò)濾掉大部分點(diǎn)位。平均濾波法只需取各個(gè)點(diǎn)的平均值。高斯濾波法相對(duì)復(fù)雜，需要把指定的區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位進(jìn)行高斯分布，這樣影響效果較小，能比較好地保留數(shù)據(jù)原貌。

5 滑坡變形監(jiān)測(cè)與分析

本文以橫琴小區(qū)的小區(qū)域滑坡作為研究對(duì)象，在小區(qū)域的滑坡體上選取4 個(gè)點(diǎn)位來(lái)安置觀測(cè)裝置，分兩期采集滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將各個(gè)站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)拼接，然后處理有組織的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)得出的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并分析滑坡體的變形情況。

將三維激光掃描儀架設(shè)在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上，然后嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)中、整平。對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，首先選取一控制點(diǎn)作為后視點(diǎn)進(jìn)行定向。為避免三維激光掃描儀在測(cè)量中存在誤差，觀測(cè)一次后要取下儀器，再按照以上步驟重復(fù)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，以消除測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。測(cè)試過(guò)程中除需要消除儀器本身存在的誤差外，還需要避免測(cè)量中的定向中誤差，在同一站上連續(xù)進(jìn)行兩次后視定向，定向中使用同一個(gè)標(biāo)靶且嚴(yán)格按照要求重置于后視點(diǎn)上，對(duì)各點(diǎn)觀測(cè)兩次，采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。

本文對(duì)測(cè)量標(biāo)靶精確掃描后提取了標(biāo)靶中心的點(diǎn)位坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。從兩次滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，X方向上最小誤差絕對(duì)值為0mm，最大誤差絕對(duì)值為5mm；Y方向上最小誤差絕對(duì)值為1mm，最大誤差絕對(duì)值為2mm；高程方向上最小誤差絕對(duì)值為1mm，最大誤差絕對(duì)值為6mm，點(diǎn)位中誤差為 3.49mm，高程中誤差為5.01mm。兩次觀測(cè)獲取的數(shù)據(jù)存在一定誤差，主要是由儀器對(duì)中誤差、儀器量取誤差、定向誤差和部分系統(tǒng)誤差等引起的。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)小區(qū)域滑坡體表面進(jìn)行測(cè)量分析，可知該區(qū)域滑坡體3D 滑坡值標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)警值。因此，該小區(qū)滑坡體在監(jiān)測(cè)期間處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有蠕動(dòng)及快速滑動(dòng)現(xiàn)象。

表1 小區(qū)域滑坡體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)《滑坡、崩塌監(jiān)測(cè)測(cè)量規(guī)范》的要求，滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的施測(cè)精度必須滿足表2 中各監(jiān)測(cè)等級(jí)的要求。

表2 滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)的施測(cè)精度

通過(guò)與表2 中各等級(jí)滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的施測(cè)精度進(jìn)行對(duì)比，可以看出，本次監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位中誤差最大值為5mm，滿足三等監(jiān)測(cè)的精度要求；高程中誤差最大點(diǎn)為A2，其高程中誤差為6mm，略微超出三等監(jiān)測(cè)的限差范圍，但其余三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程中誤差均滿足三等監(jiān)測(cè)的要求。在監(jiān)測(cè)中嚴(yán)格按照步驟操作，減少人為誤差，利用三維激光掃描儀對(duì)小區(qū)域滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，平面精度和高程精度均能達(dá)到三等監(jiān)測(cè)的精度要求。

6 結(jié)論

本文以橫琴小區(qū)的小區(qū)域滑坡作為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。利用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展小區(qū)域監(jiān)測(cè)，具有時(shí)間短、精度高的特點(diǎn)，但在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中要得到更精確的結(jié)果，還有許多問(wèn)題需要研究，只有監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精確，才能對(duì)滑坡進(jìn)行有效預(yù)警。