基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

孔文瓊 張瑜都 趙瑞英

摘 要：以蘭州某滑坡體為例，運用中海達HS1200三維激光掃描儀進行滑坡體數(shù)據(jù)采集、處理，與同期全站儀測得數(shù)據(jù)進行比較，并進行點位誤差分析，建立了數(shù)字高程模型（DEM），生成等高線，利用相應(yīng)軟件HD 3L SENE計算滑坡體的體積。結(jié)果表明，兩種方法變形量基本相同，三維激光掃描技術(shù)效率高，無需接觸被測物體，點位誤差為9.92mm，體積誤差為0.45%，滿足監(jiān)測精度要求，對滑坡體采用三維激光掃描技術(shù)進行變形監(jiān)測具有可行性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;滑坡變形監(jiān)測;點云數(shù)據(jù);對比分析

中圖分類號：P642.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2021）07-0097-04

Application of 3D Laser Scanning Technology in Landslide Deformation Monitoring

Kong Wenqiong1， Zhang Yudou1， Zhao Riuying2

（1.Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China; 2. China Railway Lanzhou Bureau Co.， Ltd.，

Lanzhou 730000， China）

Abstract：This paper takes a landslide in Lanzhou as an example， Using the Haida HS1200 3D laser scanner to collect and process landslide data， coMPares with the data measured by the total station in the same period， and analyzes the point error. Establishes a digital elevation model （DEM）， and generate contour lines. Calculate the volume of the landslide body with the corresponding software HD 3L SENE. The results prove that the deformation of the two methods is basically the same， the 3D laser scanning technology is highly efficient and does not need to touch the object to be measured. The point error is 9.92mm and the volume error is 0.45%. It can meet the monitoring accuracy requirements， and it is feasible to use 3D laser scanning technology for deformation monitoring of landslide body.

Key words：3D laser scanning; landslide deformation monitoring; point cloud data; coMParative analysis

中國是一個多山、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，滑坡預(yù)報的技術(shù)手段之一是滑坡監(jiān)測，傳統(tǒng)的測量方法是利用全站儀、GPS等測量儀器進行觀測，都屬于單點監(jiān)測，存在監(jiān)測點較少、造價高、自動化程度低等問題[1]。三維激光掃描技術(shù)是近年出現(xiàn)的高新技術(shù)，又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”[2]，具有效率高、精度高、非接觸性等優(yōu)勢[3]，它可以獲得滑坡體的三維坐標點云數(shù)據(jù)，從而能夠詳細的得到滑坡體細節(jié)和整體的變形信息。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描是一種高速激光測距的測量技術(shù)[4]，探測方法有多種，工程應(yīng)用中一般都采用脈沖法進行測量，其原理是根據(jù)激光測距[5]，以測站點為坐標原點O，建立右手坐標系，掃描儀向待測物體發(fā)射橫向角度值為α，縱向角度值為θ的激光脈沖[6]，獲得距離S，由以下公式可得到觀測點的三維坐標 [7]：

2 滑坡變形監(jiān)測實例分析

變形監(jiān)測分析是滑坡變形監(jiān)測的重點工作，其中主要包括以下兩方面的內(nèi)容：通過監(jiān)測滑坡體特征點的不同時段的形變量，分析其變形的情況;根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成DEM模型和TIN數(shù)據(jù)分析不同時刻相同區(qū)域的體積、等高線等變化的情況。

2.1 滑坡區(qū)域概況

該滑坡體位于蘭州市某盆地的東面，滑坡表面植被較少，且坡度較陡，該試驗區(qū)域主要是黃色粉質(zhì)黏土，容易發(fā)生滑坡。因為旁邊工程的修建，該滑坡體坡腳遭到嚴重的破壞，增加了該區(qū)域發(fā)生滑坡的可能性。利用三維激光掃描儀定期對該區(qū)域進行滑坡監(jiān)測，能夠及時掌握該滑坡的信息，預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生[8]。

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

本試驗使用中海達HS1200三維激光掃描儀對滑坡體表面進行掃描，為了對監(jiān)測數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的坐標系下進行對比分析，在滑坡體周圍埋設(shè)5個控制點用于觀測定向及設(shè)站，控制點選取在通視良好、穩(wěn)定且離滑坡體150～200m的公路兩側(cè)，滑坡體觀測采用自由設(shè)站的方法，每次觀測2個測站，具體監(jiān)測網(wǎng)如圖1所示。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

采用中海達HS1200地面型三維激光掃描儀對滑坡體進行監(jiān)測，得到5期掃描的點云數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套的軟件HD 3LS SCENE中，應(yīng)用該軟件對點云數(shù)據(jù)進行點云拼接、去噪處理、數(shù)字高程模型的建立等[9]。

（1）點云拼接。根據(jù)滑坡體的實際情況，一個測站很難采集到所有的點云數(shù)據(jù)，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時要從不同位置、不同角度進行掃描，再將不同測站的點云數(shù)據(jù)拼接到一起[10]。在觀測過程中，由于采用獨立的坐標系，最終要將采集的數(shù)據(jù)運用理論知識統(tǒng)一到同一個坐標系中。本試驗采用HD 3LS SCENE軟件，基于控制點的拼接，控制點選取3個以上、分布均勻且不在同一直線上的同名點。根據(jù)分析得到拼接時總體拼接精度為9.73mm，結(jié)果如圖2所示。

（2）點云去噪。在進行數(shù)據(jù)掃描的過程中，原始數(shù)據(jù)中會包含大量無用的冗余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會對后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接、建模以及分析產(chǎn)生影響，降低數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量[11]，因此，在建模之前要進行剔除噪點處理，提高信息的準確性。本文先通過人工手動剔除一些明顯的異常點，對于噪點難區(qū)分的云點時，需采用相應(yīng)的軟件進行去噪處理，去噪后的點云如圖3所示。

（3）模型建立。根據(jù)滑坡體的實際形狀和獲得的點云數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型。本文采用HD 3LS SCENE軟件選擇目標點云，進行投影、生成DEM、TIN模型，然后將DEM 模型導(dǎo)入到ArcGIS中加工處理，然后進行可視化分析。數(shù)字高程模型如圖4所示。

2.4 滑坡分析

（1）基于特征點的變形分析。本次試驗為了更好的反映滑坡體的變形情況，在使用三維激光掃描儀HS1200的同時，使用全站儀進行觀測。在觀測過程中，選取滑坡區(qū)域狀態(tài)穩(wěn)定且較為突出的有明顯特征的巖石塊作為監(jiān)測點進行監(jiān)測掃描，建立模型，提取這些特征點的坐標值進行分析比較。本試驗分別于4月～8月進行5次觀測，得到5期點云數(shù)據(jù)和全站儀觀測數(shù)據(jù)，在掃描得到點云數(shù)據(jù)中選取7個特征點的點云數(shù)據(jù)為變形分析的數(shù)據(jù)。表1～2為處理后其中兩期的坐標值和變形量。

根據(jù)監(jiān)測方案得到5期滑坡體位移累積量，如表3所示。

表1和表2分別為4月和8月采用全站儀和三維激光掃描儀測得的滑坡體變形的基本情況，兩種方法得到的變形量基本上一致。

由表3可以看出，特征點JC4、JC6在Z方向累計沉降量超過 40 mm，那么在今后的滑坡監(jiān)測過程中，要重點對這兩個監(jiān)測點及周圍做好加固措施。通過上面數(shù)據(jù)分析得到三維激光掃描儀可以應(yīng)用到滑坡變形中，而且還可以反映滑坡體的變形情況。

通過對比以上兩種測量方法的數(shù)據(jù)，由點位中誤差計算公式得到的誤差結(jié)果如5圖所示。

由圖5可知，監(jiān)測點誤差MX=3.59mm，MY=2.92mm，觀測點前五期點位中誤差DXTZ=9.92mm，符合精度要求，可看出三維激光掃描儀能夠滿足滑坡體的監(jiān)測精度要求。在進行三維激光掃描過程中，滑坡體上的激光光斑會隨著掃描距離的增加而變大，誤差也會隨著距離的增加而增大，從而導(dǎo)致了掃描精度的降低;同時，由于特征點的選取會受到地面環(huán)境的影響，點云數(shù)據(jù)在進行處理時會降低測量精度。

（2）基于特征線的變形分析。通過掃描得到點云數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建DEM、TIN模型，從而可以提取滑坡體的等高線、裂縫線等線性特征，根據(jù)這些線性特征，分析對應(yīng)滑坡體在不同時期的變化。

使用中海達的點云后處理軟件，將三維激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)的坐標信息自定義等高距，生成等高線。通過不同時期所生成的等高線的對比，就可以得到滑坡體的變化趨勢，如圖6所示。由第1期和第3期生成等高線對比分析，得到兩期的變形量約為10cm。

（3）基于土方量的變形分析。對比滑坡體兩期點云數(shù)據(jù)建立的模型的土方量來分析滑坡體的變形信息，在中海達HD 3L SENE軟件中計算本試驗滑坡體的體積。由處理好的點云數(shù)據(jù)，生成DEM和TIN數(shù)據(jù)，再計算滑坡體的體積。根據(jù)實際情況，該滑坡體以數(shù)據(jù)最低點設(shè)置試驗基準面，輸出最終滑坡體體積成果數(shù)據(jù)，2D面為28602.000m2，3D體積為1629831.467m3，與全站儀測量對比，結(jié)果如表4所示。

對比分析得到，與全站儀相比，三維激光掃描儀采集的點數(shù)量較多，且用時較少，由最終得到的結(jié)果來看，以全站儀為參照物，三維激光掃描體積誤差為0.45%，滿足一般要求。

3 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)配合相應(yīng)的軟件，相對于傳統(tǒng)方法能夠更形象直觀的反映研究物體的特征。文章基于三維激光掃描與全站儀從特征點、特征線和土方量進行標膠分析，得到滑坡體實際的變形情況，最終得到了該滑坡體法人變化的趨勢。結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測應(yīng)用中有參考意義。

參考文獻

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