三維激光掃描在滑坡災害變形中的監測應用

劉明坤，段奇三，趙晨曦，楊艷鋒

(1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

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三維激光掃描在滑坡災害變形中的監測應用

劉明坤1，段奇三2，趙晨曦1，楊艷鋒1

(1. 北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

摘要：針對滑坡災害變形，利用三維激光掃描儀采用非接觸測量方式對效應靶形變量進行測量，以監測滑坡體的位移量。結果表明，三維激光掃描儀可以對滑坡體變形進行有效監測，滑坡體在強降雨下土層飽和后的變形量精度達到毫米級。

關鍵詞：滑坡;變形;三維激光掃描

三維激光掃描技術作為一種新型的面測量技術，是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術創新。本文針對北京某滑坡，利用Topcon GLS-2000三維激光掃描技術在2015年7月雨季進行數據采集，并對多次采集的滑坡體數據進行分析，總結滑坡在強降雨下土層飽和后所造成的滑坡體位移量。

一、三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱“三維實景復制技術”，它可以深入到任何復雜的現場環境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準等實體或實景的三維數據完整地采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據；同時，它所采集的三維激光點云數據還可進行各種后處理工作(如測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實等)，它是各種正向工程工具的對稱應用工具，即逆向工程工具。所有采集的三維點云數據及三維建模數據都可以通過標準接口格式轉換給各種正向工程軟件直接使用。

三維激光掃描儀分相位激光和脈沖激光技術兩種，其原理是激光測距，并在空間形成橫向和縱向的精確測量，計算出被測量點與掃描儀中心的相對位置，并得出獨立坐標(X,Y,Z)，給予每個坐標一個點的圖形符號，在計算機中以點符號顯示，形成云狀三維模型，故而稱為點云數據(點云)，可以稱其為多點式的全站儀。

GLS-2000三維激光掃描技術參數如下：

1) 掃描距離：500 m；

2) 視場角：360°×270°；

3) 相機參數：5×106像素×2個 (170°/8.9°)；

4) 激光等級：3R (高速模式/標準模式 )/1M (安全模式)。

Topcon GLS-2000特點如下：

1) 一體化設計；

2) 全景掃描；

3) 內置雙相機；

4) 可掃描棱鏡；

5) 二次回波；

6) 內置兩種激光；

7) 自動量測儀器高；

8) 支持多種點云拼接方式；

9) 后視定向；

10) 內置5種掃描模式。

二、滑坡體數據監測采集

滑坡位于北京市豐臺區王佐鎮西莊店村后甫營路東北側，坐標為(39°50′58.9″，116°5′15.1″)。滑坡距離景區售票處僅500 m，距離后甫營村僅280 m。滑坡體上方為山坡林地，下方為千靈山風景區的停車場(目前未使用)。滑坡距離王佐鎮鎮政府約7.5 km，有后甫營路、沙羊路、大灰廠路等通往鎮中心及市區，距離西六環約2.6 km。

在滑坡體對面山體建立控制點，選擇穩定基巖，選用不銹鋼材料進行混凝土澆筑。

首次利用Topcon GLS-2000三維激光掃描儀對滑坡體進行數據采集，將掃描儀架設在控制點上，利用Topcon GLS-2000三維激光掃描儀后視定向功能進行坐標系統確立。

設置掃描密度及掃描范圍進行點云數據獲取。

三、滑坡體特征

1. 表面特征

通過調查發現，滑坡主滑方向約176°，后緣裂縫上部穩定基巖出露，產狀為177°∠14°，總體平面形態呈圈椅狀，下陡中緩上陡，滑坡體坡度約為20°～30°，主滑方向與巖層傾向基本一致，屬于順層滑坡。

滑坡西側山體出露基巖產狀為164°∠37°，東側山體出露基巖產狀為125°∠21°，滑坡體東側緊鄰一條沖溝，沖溝底部頁巖出露，基巖產狀為226°∠65°。

滑坡后緣出現拉張裂縫，總長約110 m，總體走向約45°，后緣最大裂縫深度約2.3 m，最大裂縫寬度約50 cm，發育有近東西向節理裂隙5條，近南北向垂直節理3條(如圖1所示)，出現滑坡壁，滑坡壁坡度約70°，后緣裂縫上部出現較少與滑動壁平行裂縫，后緣裂縫有向上發展趨勢。

圖1　滑坡后緣兩組節理裂隙垂直相交

滑坡體中部距后緣約47 m及57 m處出現兩條較大裂縫，最大寬度約25 cm，總長約55 m，上部裂縫總體走向約為30°，下部裂縫呈圓弧狀展布，沿此兩條裂縫出現數十條發散狀裂縫，與其呈相交關系，并且滑坡體上大量片石樹坑出現拉裂。

滑坡前緣形成鼓丘，出現剪出口，剪出口上部形成多條放射狀及羽狀裂縫，最大寬度約20 cm，鼓丘下方，出現4條溢出水流。

2. 結構特征

通過野外調查天然出露的地層及搜集相關資料，認為該滑坡類型屬于巖質滑坡。地層主要為第四系松散堆積層及石炭系地層，其中第四系主要為殘坡積物，成分為碎石土，石炭系地層巖性主要為泥巖、頁巖、千枚巖等。

根據巖性及結構特點，滑坡物質組成自上而下可分為兩層。

(1) 碎石土

分布于滑坡體中下部，主要為殘坡積物，碎石土結構松散，透水性較好，沿著斜坡方向自上而下厚度逐漸增加，厚度較大。

(2) 頁巖

滑坡體表層頁巖風化嚴重，為中風化—強風化，呈層狀，主要為灰黑色或表層呈暗紅色，層面之間結合力較低，巖層產狀較緩，基巖產狀為177°∠14°，層理發育，韻律細微，巖石構造節理、劈理發育，易破裂，沿層面剝離嚴重。滑坡后緣發育有近東西向節理裂隙5條，近南北向垂直節理3條，后緣出現滑坡壁，多為陡傾角。滑坡壁坡度約70°。

四、點云數據生成DEM

利用I-SITE Studio軟件進行點云數據建模生成DEM。將滑坡的法線定位為垂直于斜坡，在此法線基礎上生成模型(如圖2所示)。此做法避免了模型的三角面片與重力方向一致導致的不連續模型的出現。

圖2　滑坡體點云數據

五、掃描數據與地質數據疊加分析

由于Topcon GLS-2000三維激光掃描儀在對滑坡體掃描時架設在已知控制點上，保證了強制對中，同時掃描儀具有后視定向功能，因此保證了每期數據無需進行點云數據拼接而在同一坐標系統中。

1. 虛擬量測

在點云數據或DEM中量測滑坡體的長度、寬度、面積等，并進行滑坡體體積估算，如圖3所示。

圖3　滑坡體寬度解譯

2. 數據對比

通過人工簡易監測，6日內滑坡后緣部分裂縫變形量為28和66 mm。同時運用Topcon三維激光掃描儀于7月25日及8月1日，對滑坡體開展了2期三維激光掃描測量，通過2期數據對比分析，發現7天內滑坡體存在明顯位移形變，最大形變約600 mm(如圖4所示)。

圖4　滑坡形變對比分析監測圖

3. 滑坡體等高線提取

通過分析點云數據，對滑坡體等高線進行解譯提取(如圖5所示)。

圖5　滑坡體等高線解譯圖

4. DEM與地質數據模型分析

因滑坡東南約1.5 km處為控制北京地區西部隆起與東部斷陷沉積這兩個二級構造單元的八寶山—高麗營斷裂帶。該斷裂帶由南大寨—八寶山斷裂和黃莊—高麗營斷裂兩條相伴而平行的主要斷裂組成，在滑坡區附近呈北東—南西走向，傾向SE，傾角較大。因此在三維模型中考慮地質結構背景，有利于分析斜坡走向與變形。

通過疊加的地質背景資料與DEM，可提取滑坡體體積。方法為沿橫向(地平方向)依據DEM進行范圍確定；縱向(地心方向)沿推測滑動面走向，高于滑動面的體積為滑坡體滑動預估值(如圖6所示)。

圖6　滑坡體DEM模型體積解譯圖

六、結束語

三維掃描技術通過激光或結構光進行三維重建。三維掃描技術也是一種將測量從傳統的單點測量提升到面測量的革命性技術，其根據載體不同包括機載、地面和手持等幾類。

通過前文研究，可得出如下結論：采用地面式三維激光掃描技術可以迅速獲取滑坡體形變數據，并進行三維分析。將掃描的三維模型與地質資料數據進行疊加，可以形成地表及地下的空間一體數據，為滑坡災害的治理提供科學有效的數據。

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(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)