SX10三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

焦川川 楊文彬

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局402隊(duì) 湖南 長沙 410008)

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，南方省份山地、丘陵地區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)區(qū)域。這些地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，降水較多，加之工程建設(shè)等因素，崩塌、滑坡、泥石流等時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。地質(zhì)災(zāi)害隱患多、破壞性強(qiáng)、防范難度大，傳統(tǒng)監(jiān)測手段越來越難以滿足需求。三維激光掃描儀的出現(xiàn)，為地質(zhì)災(zāi)害準(zhǔn)確、高效的預(yù)報(bào)預(yù)測提供了一種新的技術(shù)手段。

一、三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法的比較

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光的測量方式，可以在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對(duì)被測物體進(jìn)行快速掃描測量，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描測量系統(tǒng)具有快速性、實(shí)時(shí)性、高密度、高精度等特點(diǎn)。三維激光掃描儀在地形測量、地下空間測量、建筑測量、逆向工程、工業(yè)測量、變形監(jiān)測等多方面有實(shí)際應(yīng)用。

表1 三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測方法比較

二、SX10三維激光掃描儀與傳統(tǒng)掃描儀的比較

天寶SX10高度集成了三維激光掃描儀、自動(dòng)全站儀及近景攝影測量技術(shù)，主攻長距離和高精度掃描方向。儀器測角精度1″；測距精度棱鏡模式1mm+1.5ppm、DR模式2mm+1.5ppm，有效測距600m。測量時(shí)可像全站儀一樣直接設(shè)站，無需特殊標(biāo)志配準(zhǔn)；長距離測量可有效減少點(diǎn)云拼接次數(shù)，提高監(jiān)測精度。傳統(tǒng)掃描儀如瑞格VZ系列、天寶TX系列及法如Focus3D系列，雖然測距精度很高且能夠以50-100萬點(diǎn)/秒的高速掃描點(diǎn)云，但是由于測角精度為8-15″，實(shí)際長距離點(diǎn)位精度并不高。

監(jiān)測點(diǎn)P相對(duì)于架站點(diǎn)誤差公式如下：

(1)

說明：ms為測距中誤差；mθ為測角中誤差；s為儀器到監(jiān)測點(diǎn)的水平距離。

根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出SX10在大于傳統(tǒng)掃描儀5倍的工作距離上仍可以達(dá)到相同的點(diǎn)云精度。因此傳統(tǒng)掃描儀更適合一般的掃描測量或是近距離的變形監(jiān)測，如隧道的變形監(jiān)測。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測變形控制值一般要求30-50mm，根據(jù)《工程測量規(guī)范》要求，監(jiān)測精度應(yīng)達(dá)到控制值的1/10，即要控制在3-5mm之內(nèi)。由于地質(zhì)災(zāi)害的特殊性，占地規(guī)模通常較大，且不能抵近測量，SX10掃描儀無疑更適合。

三、SX10掃描儀的工程應(yīng)用

某大型石灰石礦坑，頂部直徑約450m，底部直徑約380m。礦坑邊坡高度約為70.0-100米，坡度45-90°，坑頂有土層覆蓋。礦坑周邊存在溶洞和采空區(qū)，邊坡巖體類型為Ⅱ類-Ⅳ類，部分區(qū)域裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生巖層層面平面滑移破壞或楔形體破壞。局部巖體突出，底部臨空形成危巖。

(一)常規(guī)監(jiān)測方法的困難與缺陷

原設(shè)計(jì)方案擬在基坑周邊布設(shè)多個(gè)深層水平位移(測斜)以監(jiān)測巖體穩(wěn)定情況，實(shí)際工作開展具有以下難點(diǎn)及局限性：

(1)因礦坑周邊存在采空區(qū)、溶洞等情況，現(xiàn)場鉆孔作業(yè)易造成卡鉆、鉆桿墜落等意外事件。

(2)如測斜管進(jìn)入溶洞或采空區(qū)，管身無法固定，穩(wěn)定性沒有保障，監(jiān)測數(shù)據(jù)不可用。

(3)即使測斜管全部埋入穩(wěn)定的巖體，由于現(xiàn)場坡度的存在，管頂距離基坑邊1m時(shí)，管底距離礦坑臨空面通常已經(jīng)超過20m，即使有危巖塌落，深層水平位移數(shù)據(jù)未必有反映。

水平位移方面，原設(shè)計(jì)方案擬在礦坑內(nèi)表面按照20米的垂直間隔布設(shè)3層水平位移點(diǎn),每層相鄰位移監(jiān)測點(diǎn)間隔約20m。由于礦坑側(cè)壁凹凸不平，且裂隙發(fā)育、有危巖存在。人工現(xiàn)場鉆孔布設(shè)棱鏡施工難度較大，且易發(fā)生安全事故。由于監(jiān)測點(diǎn)位過多，實(shí)際全站儀測量時(shí)間耗費(fèi)時(shí)間太長。

(二)SX10三維激光掃描儀應(yīng)用

在礦坑周邊穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過自由設(shè)站的方式建立測站進(jìn)行掃描獲取監(jiān)測區(qū)域的三維點(diǎn)云(內(nèi)置相機(jī)同時(shí)可獲取顏色信息)，最后通過點(diǎn)云拼接形成監(jiān)測區(qū)域完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。后期通過同樣方式獲取數(shù)據(jù)與首期對(duì)比，通過Trimble RealWorks軟件分析可知被測區(qū)域的變形情況。

內(nèi)業(yè)先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類，濾除植被、現(xiàn)場人員、機(jī)械等無關(guān)點(diǎn)云信息。分割點(diǎn)云，選取兩期點(diǎn)云共同范圍作比較。

隨后進(jìn)行檢測,面與面檢測過程中首先要定義投影面。如沉降監(jiān)測可以選擇基于平面的投影，設(shè)置水平參考面，檢測豎直方向的變形情況；礦坑內(nèi)部水平位移監(jiān)測可以選擇圓柱形投影，以獲得周邊土體、巖體相對(duì)于礦坑中心軸的變形情況。

然后設(shè)置分辨率，確定數(shù)據(jù)投影到參考面的精細(xì)程度。在預(yù)覽檢測功能下即可查看監(jiān)測區(qū)域的變形情況。

圖1 檢測模型界面變形分析

在軟件檢測模塊下還可以選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置分辨率，由三維點(diǎn)云構(gòu)成空間三角網(wǎng)，最終生成表面模型。同檢測模型一樣，設(shè)置的空間分辨率越高，成果越精細(xì)。

圖2 監(jiān)測區(qū)域表面模型成果

如工程需要獲取特定斷面的變形數(shù)據(jù)，可以利用檢測圖分析工具的切片功能實(shí)現(xiàn)。在檢測圖上手動(dòng)設(shè)置特定的切線，或按間隔設(shè)置切面，軟件即可自動(dòng)生成斷面變形數(shù)據(jù)成果。

圖3 斷面變形成果分析

受限于現(xiàn)場地形條件及安全管理要求，傳統(tǒng)測量方法及一般三維掃描儀無法對(duì)石質(zhì)邊坡上的裂縫進(jìn)行有效監(jiān)測，SX10激光掃描儀可以解決這個(gè)難題。儀器自帶長焦相機(jī)，在50m的距離上分辨率可達(dá)0.88mm，可有效監(jiān)測高邊坡裂縫寬度、長度、走向以及發(fā)展情況。

四、結(jié)語

SX10三維激光掃描儀具備自動(dòng)監(jiān)測全站儀的全部功能且精度與其相當(dāng)，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作中完全可以替代全站儀。SX10作業(yè)速度快、采集的點(diǎn)云密度大、精度高，大大提高了外業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了地災(zāi)形變監(jiān)測工作由點(diǎn)向面的跨越。三維激光掃描技術(shù)提高了預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，同時(shí)也節(jié)約人力物力，保障了作業(yè)人員生命安全。

使用Trimble RealWorks軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行專業(yè)處理可以獲得投影面變形分析成果、數(shù)字表面模型成果、斷面變形分析成果以及地災(zāi)塌方體積計(jì)算等資料，可充分滿足工程建設(shè)及搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的需要。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，它包括形變監(jiān)測和物理量監(jiān)測(如應(yīng)力、溫度、降雨量、土壤含水量監(jiān)測等)。一個(gè)優(yōu)秀的監(jiān)測系統(tǒng)除了靈敏性還需要一定的技術(shù)冗余保證監(jiān)測成果可以相互驗(yàn)證(如沉降與地下水位的關(guān)系，應(yīng)力大小與水平位移的關(guān)系等)，以保證監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。因此，在使用SX10進(jìn)行形變監(jiān)測時(shí)，同樣要注重物理量的監(jiān)測。