地面三維激光掃描點(diǎn)云應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)中基準(zhǔn)統(tǒng)一研究*

趙立都，張雙成，向中富，馬下平，周 銀，胡 川，馮紅剛，陳茂霖，蔣俊秋

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安，710054；3. 西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；4.中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶 400083)

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，其中滑坡災(zāi)害作為主要的自然災(zāi)害種類，威脅著山區(qū)居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，滑坡形變監(jiān)測(cè)是預(yù)防滑坡災(zāi)害最有效的方法[1-5]。利用傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器(如水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS等)對(duì)滑坡體地表進(jìn)行變化檢測(cè)，工作量大，僅能監(jiān)測(cè)單點(diǎn)形變，數(shù)據(jù)獲得的完整性受地形條件制約，無(wú)法對(duì)突發(fā)性崩滑災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

地面三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial Laser Scanning，TLS)可以獲取真實(shí)場(chǎng)景下高精度和高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有全自動(dòng)和非接觸等諸多優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測(cè)量向面測(cè)量的跨越。利用TLS對(duì)滑坡變形體進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要采集多期滑坡點(diǎn)云，通過(guò)比較點(diǎn)云的空間位置確定滑坡變形量。但點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有其特殊性，每一期點(diǎn)云基于獨(dú)立坐標(biāo)系，多期點(diǎn)云疊差分析時(shí)基準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致滑坡體變形檢測(cè)精度低、結(jié)果不可靠。目前高精度變形監(jiān)測(cè)常采用球形標(biāo)靶，球形標(biāo)靶精度高、易于攜帶，但是存在價(jià)格昂貴、制造維護(hù)精度要求高等缺點(diǎn)，且因?yàn)榧す夥瓷浣沁^(guò)大而引起邊緣漂移。球形標(biāo)靶見(jiàn)圖1，球形標(biāo)靶點(diǎn)云見(jiàn)圖2，由于邊緣漂移集中遠(yuǎn)離掃描一側(cè)，即它不是均勻分布的隨機(jī)噪音，這將引起球心坐標(biāo)產(chǎn)生不可忽略的計(jì)算誤差。為了克服球形標(biāo)靶的缺點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了一種三棱錐標(biāo)靶，可通過(guò)三個(gè)相互不平行的面實(shí)現(xiàn)多期點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通視條件差、交通不便的情況，本文提出基于全站儀站點(diǎn)后視定向的數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)方案。

圖1 球形標(biāo)靶

圖2 球形標(biāo)靶點(diǎn)云

郭晨等人利用獲取的機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)(Light Detection and Ranging，LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合天空視域因子的數(shù)字高程模型可視化方法，開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別研究工作，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證了機(jī)載 LiDAR 識(shí)別結(jié)果的可靠性[6]。ABELLAN 等人運(yùn)用地面激光掃描技術(shù)對(duì)西班牙某危巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探討了具有毫米級(jí)高精度監(jiān)測(cè)的可行性[7]。KAYEN 等人采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)日本新瀉縣中越地震中誘發(fā)的接近400個(gè)大型滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并大大提高了震后災(zāi)害的評(píng)估效率[8]。劉衛(wèi)南等人將點(diǎn)云密度作為滑坡表面變形的表征，提出了基于點(diǎn)云密度特征的滑坡位移監(jiān)測(cè)方法，識(shí)別出了邊坡變動(dòng)區(qū)域，直觀地反映了滑坡表面變形[9]。楊敏等人研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度問(wèn)題，開(kāi)展了復(fù)雜帶狀地形條件下不同掃描方案所獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度對(duì)比分析[10]。謝謨文[11]、陳金磊[12]、薛強(qiáng)[13]等人探討了將TLS應(yīng)用于大型、有部分植被覆蓋的滑坡監(jiān)測(cè)的可能性，研究了基于TLS技術(shù)的滑坡表面變形監(jiān)測(cè)理論方法。

綜上所述，目前將 TLS 技術(shù)應(yīng)用于滑坡體變化監(jiān)測(cè)尚處在探索階段，對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模式與基準(zhǔn)統(tǒng)一研究較少。鑒于此，本文提出基于固定三棱錐標(biāo)靶的點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一理論與方法和基于全站儀站點(diǎn)后視定向的點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一理論與方法，以甘肅省臨夏回族自治州癿藏鎮(zhèn)3號(hào)滑坡為研究對(duì)象，采集2021年2月、2021年5月兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文所提方法的精度和可靠性。本文理論方法為滑坡災(zāi)害精準(zhǔn)評(píng)估與預(yù)警提供理論支撐，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一理論

1.1 點(diǎn)云基本概念

掃描數(shù)據(jù)通常以三維坐標(biāo)(x，y，z)來(lái)表示掃描點(diǎn)的位置信息，海量的密集點(diǎn)稱之為點(diǎn)云。掃描儀坐標(biāo)系如圖3所示，設(shè)D為目標(biāo)點(diǎn)至掃描儀之間的距離，θ和α分別為激光點(diǎn)豎直和水平角度，激光點(diǎn)的位置可以用極坐標(biāo)表示：

(1)

圖3 掃描儀坐標(biāo)系

1.2 基于永久三棱錐標(biāo)靶的多期點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一

(2)

(1)建立兩個(gè)點(diǎn)集的同名點(diǎn)對(duì)：

(3)

(2)通過(guò)最小化平方距離計(jì)算新的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量：

(4)

ICP算法迭代計(jì)算結(jié)束的條件是配準(zhǔn)誤差足夠小或者迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)，則算法終止，否則繼續(xù)進(jìn)行迭代。

1.3 基于全站儀后視定向的多期點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一

該模式下的點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一就是將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全站儀確定的獨(dú)立坐標(biāo)系下的過(guò)程，采用布爾沙模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。根據(jù)空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的布爾沙模型，任一個(gè)控制點(diǎn)在點(diǎn)云空間直角坐標(biāo)系1中的坐標(biāo)通過(guò)3個(gè)平移參數(shù)ΔX0、ΔY0、ΔZ0，3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)ωx，ωy，ωz和1個(gè)尺度比參數(shù)m可轉(zhuǎn)換為全站儀空間直角坐標(biāo)系2中的坐標(biāo)，即有：

(5)

2 基于地面三維激光掃描的滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 研究區(qū)域

癿藏鎮(zhèn)3號(hào)滑坡位于甘肅省積石山縣癿藏鎮(zhèn)以南拉沙溝村黃土滑坡上，地理坐標(biāo)：35°35′23″E， 102°57′12″N?；麦w主要地層為全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)粘土，滑床主要地層為中下更新統(tǒng)河湖相褐紅色粉質(zhì)粘土?；w中部寬60～100 m，軸長(zhǎng)80～130 m，面積約25 000 m2，厚度3～8 m，體積約15×104m3，屬中淺層中小型滑坡群?；潞蟊诟?.2～0.4 m，自然坡度15°，主滑方向85°?；氯呵熬壠麦w僅表層1～3 m溜塌流泥為主破壞，下部土體較穩(wěn)定，后緣呈圈椅型尖狀及平緩圓弧狀，屬于牽引式粘性土滑坡。滑坡全貌見(jiàn)圖4，3號(hào)滑坡主要病害見(jiàn)圖 5。圖5b為寬10 cm裂縫局部圖，圖5c為滑坡形成的路面垂直方向0.6 m的錯(cuò)臺(tái)位移局部圖，圖5d為滑坡形成的道路裂縫局部圖。

圖4 癿藏鎮(zhèn)3號(hào)滑坡滑坡全貌

圖5 癿藏鎮(zhèn)3號(hào)滑坡病害

2.2 數(shù)據(jù)采集

本文使用Leica P50地面三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該掃描儀為一款中長(zhǎng)距離測(cè)程的地面三維激光掃描儀，具有惡劣環(huán)境下可以獲得高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)、掃描范圍廣且噪音極小等優(yōu)點(diǎn)。掃描儀相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。另外，輔助數(shù)據(jù)采集的控制測(cè)量?jī)x器還包括Leica TS30全站儀 1 臺(tái)、棱鏡球等。

表1 Leica P50三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

滑坡蠕動(dòng)變形是一個(gè)緩變動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文采用一站測(cè)量法，避免多站數(shù)據(jù)拼接帶來(lái)的誤差，有效保證了多期數(shù)據(jù)對(duì)比的可靠性，提高了滑坡變形監(jiān)測(cè)的精度。確定測(cè)站點(diǎn)位置時(shí)要考慮通視、最大入射角和最大掃描范圍，因此儀器架設(shè)在滑坡體對(duì)面山坡最高點(diǎn)上，掃描精度設(shè)置為3 mm @10 m?？紤]到凍土消融等因素對(duì)滑坡影響，分別于2021年 2 月 26日(凍土消融前，現(xiàn)場(chǎng)溫度3 ℃)和2021年 5 月 3 日(凍土消融后，現(xiàn)場(chǎng)溫度28℃)采集2期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析滑坡位移。任選一期(第2期)滑坡變形體點(diǎn)云見(jiàn)圖6，其中點(diǎn)個(gè)數(shù)為18 217 525個(gè)。

圖6 滑坡變形體點(diǎn)云

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 基于永久三棱錐基準(zhǔn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理

本文開(kāi)發(fā)了一種三棱錐標(biāo)靶，三棱錐模板尺寸為每個(gè)等邊三角形邊長(zhǎng)50 cm，高15 cm。在穩(wěn)定區(qū)共澆筑3個(gè)混凝土三棱錐，其中任意一個(gè)三棱錐標(biāo)靶見(jiàn)圖7，三棱錐標(biāo)靶點(diǎn)云見(jiàn)圖8。

圖7 三棱錐標(biāo)靶

圖8 三棱錐點(diǎn)云

基于三棱錐點(diǎn)云的提取原理如圖 9所示，可通過(guò)三棱錐點(diǎn)云擬合出三個(gè)平面，通過(guò)3個(gè)平面可交會(huì)出三棱錐頂點(diǎn)。

圖9 三棱錐點(diǎn)云提取原理

分別基于兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合三棱錐頂點(diǎn)坐標(biāo)，第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中3個(gè)三棱錐各擬合的頂點(diǎn)見(jiàn)表2，第2期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中3個(gè)三棱錐各擬合的頂點(diǎn)見(jiàn)表3。

表2 第1期點(diǎn)云三棱錐標(biāo)靶頂點(diǎn)坐標(biāo)

表3 第2期點(diǎn)云三棱錐標(biāo)靶頂點(diǎn)坐標(biāo)

滑坡體2期初始點(diǎn)云見(jiàn)圖10，基準(zhǔn)統(tǒng)一時(shí)，采用ICP算法求得的平移向量為(0.134，0.080，-0.038)，本文將旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換為繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角度，其中繞x軸旋轉(zhuǎn)角0.164°，繞y軸旋轉(zhuǎn)角-0.180°，繞z軸旋轉(zhuǎn)角度-46.886°，運(yùn)用所求旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)使得基準(zhǔn)統(tǒng)一后的點(diǎn)云見(jiàn)圖11，滑坡變形體照片見(jiàn)圖12。可以看出，兩期點(diǎn)云基于特征標(biāo)靶三棱錐已精確配準(zhǔn)。兩期點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一，為后續(xù)滑坡變形量探測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。該理論方法簡(jiǎn)單實(shí)用、效率與精度高。

圖10 滑坡體兩期初始點(diǎn)云圖

圖11 兩期基準(zhǔn)統(tǒng)一后的滑坡體局部點(diǎn)云

圖12 滑坡變形體照片

2.3.2 基于全站儀后視定向基準(zhǔn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理

在滑坡等變形體監(jiān)測(cè)中，需要以穩(wěn)定區(qū)的點(diǎn)為監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，本文穩(wěn)定區(qū)4個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 控制點(diǎn)坐標(biāo)

基于全站儀站點(diǎn)坐標(biāo)后視法掃描模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，其實(shí)際操作需要分為三個(gè)步驟展開(kāi)：

(1)全站儀采集滑坡區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。將全站儀架設(shè)在任意位置，后視穩(wěn)定區(qū)任意兩個(gè)以上控制點(diǎn)坐標(biāo)，交會(huì)得到全站儀當(dāng)前架設(shè)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，再測(cè)量得到位于滑坡區(qū)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡球的棱鏡中心坐標(biāo)，棱鏡球照片見(jiàn)圖13。

圖13 棱鏡球標(biāo)靶

(2)運(yùn)用地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)擬合得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。將三維激光掃描儀架設(shè)在任意位置，掃描并擬合得到3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡球點(diǎn)云的球心坐標(biāo)。利用布爾沙模型可求出點(diǎn)云坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為全站儀坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(3)運(yùn)用所求出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)將每一期點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定區(qū)控制點(diǎn)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)統(tǒng)一。

運(yùn)用全站儀后視定向理論方法精確配準(zhǔn)后的點(diǎn)云見(jiàn)圖14。兩期點(diǎn)云已精確轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定區(qū)控制點(diǎn)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)了多期點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一。該方法理論嚴(yán)密、實(shí)踐中便于操作，不受滑坡體地形條件限制、適用性廣。進(jìn)一步分析了兩期點(diǎn)云基于標(biāo)靶特征的配準(zhǔn)精度，基于三棱錐標(biāo)靶配準(zhǔn)精度為0.003 m ，基于全站儀站點(diǎn)后視定向的點(diǎn)云配準(zhǔn)精度為0.005 m。

圖14 精確配準(zhǔn)后的點(diǎn)云

綜合對(duì)比兩種點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一理論與方法，可得：

(1)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面來(lái)看，為了保證配準(zhǔn)精度，在同樣范圍的測(cè)區(qū)中，基于固定三棱錐標(biāo)靶數(shù)據(jù)采集模式，操作簡(jiǎn)便快速，適用于通視性好、便于澆筑混凝土的環(huán)境條件?；谌緝x站點(diǎn)后視定向點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模式，不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，適用性廣。在穩(wěn)定區(qū)有控制點(diǎn)的情況下，可有效地將點(diǎn)云直接測(cè)算至已有坐標(biāo)系中，這對(duì)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的滑坡災(zāi)害體持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有重要意義。

(2)從點(diǎn)云基準(zhǔn)統(tǒng)一來(lái)看，基于固定三棱錐標(biāo)靶和基于全站儀后視定向的基準(zhǔn)統(tǒng)一理論嚴(yán)密、配準(zhǔn)精度高?；谌緝x站點(diǎn)坐標(biāo)的后視定向優(yōu)勢(shì)在于可以將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到已有的控制點(diǎn)坐標(biāo)系下，對(duì)測(cè)區(qū)工程利用較為有利，但是全站儀觀測(cè)值誤差會(huì)直接代入到點(diǎn)云的坐標(biāo)值中，全站儀獲得的測(cè)站坐標(biāo)值的精度將直接影響著點(diǎn)云精度。

3 結(jié)論

本文采用TLS技術(shù)獲取滑坡變形體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出了基于永久三棱錐和基于全站儀后視定向兩種基準(zhǔn)統(tǒng)一方法。為驗(yàn)證本文所提理論方法的精度和可靠性，選取甘肅省臨夏回族自治州癿藏鎮(zhèn)3號(hào)滑坡為研究對(duì)象，結(jié)論如下：

(1)基于永久三棱錐基準(zhǔn)統(tǒng)一理論方法的三棱錐頂點(diǎn)配準(zhǔn)精度為0.003 m，基于全站儀站點(diǎn)后視定向基準(zhǔn)統(tǒng)一理論方法的棱鏡球配準(zhǔn)精度為0.005 m。本文所提方法精度高、理論嚴(yán)密，其中基于永久三棱錐基準(zhǔn)統(tǒng)一理論方法克服了球形標(biāo)靶邊緣漂移問(wèn)題，基于全站儀站點(diǎn)后視定向基準(zhǔn)統(tǒng)一理論方法解決了配準(zhǔn)處理時(shí)為找重疊區(qū)域同名點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)采集要求苛刻的弊端，解決了全局坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換困難的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通視要求不高，適用性廣。

(2)基于永久三棱錐基準(zhǔn)統(tǒng)一方法和基于全站儀站點(diǎn)后視定向基準(zhǔn)統(tǒng)一方法外業(yè)操作簡(jiǎn)便，效率高，其在滑坡區(qū)中的成功應(yīng)用對(duì)三維激光掃描技術(shù)在滑坡等災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)的深度應(yīng)用和有效推廣有重要借鑒意義。