三維掃描在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理

■王淑霞　劉作文

（四川省蜀通巖土工程公司　四川　成都　610081）

三維掃描在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理

■王淑霞劉作文

（四川省蜀通巖土工程公司四川成都610081）

近些年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有效的降低了滑坡災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。本文以滑坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理問(wèn)題進(jìn)行分析，以期為相關(guān)行業(yè)工作者提供借鑒。

三維激光掃描滑坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

坡災(zāi)害屬于常見(jiàn)自然災(zāi)害類型，對(duì)山區(qū)居民的財(cái)產(chǎn)及生命安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，對(duì)于滑坡災(zāi)害的預(yù)警工作也一直是從業(yè)者關(guān)注的重點(diǎn)。現(xiàn)階段，為了對(duì)滑坡災(zāi)害有效的進(jìn)行預(yù)警，降低災(zāi)害程度，相關(guān)工作者也作為了大量調(diào)查研究工作，對(duì)不同因素對(duì)滑坡的影響進(jìn)行分析，其中變形是滑坡監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的技術(shù)應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)作為新興監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)r體崩塌、巖石邊坡特征等進(jìn)行分析，在滑坡變形中的應(yīng)用效果較好。本文某滑坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理進(jìn)行研究。

1　實(shí)際案例

以某滑坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，該滑坡地處金沙某梯級(jí)河段下游右岸，距離水電站近1km，其變形趨勢(shì)、穩(wěn)定狀態(tài)及失穩(wěn)方式等都對(duì)水電站會(huì)產(chǎn)生影響，因此成為關(guān)注的重點(diǎn)。通過(guò)運(yùn)用地質(zhì)調(diào)查、綜合勘探、地質(zhì)測(cè)繪、物探測(cè)試、巖土實(shí)驗(yàn)、鉆探與餇探及變形監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段調(diào)查，對(duì)該滑坡可以劃分為五個(gè)區(qū)域，如圖1所示。五個(gè)滑坡區(qū)域中，Ⅱ區(qū)特別顯著，以殘、崩坡積體為主，處于變形中。對(duì)該滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)地表垂直位移監(jiān)測(cè)與水平位移監(jiān)測(cè)，在Ⅱ區(qū)設(shè)置17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在該滑坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，應(yīng)用到三維激光掃描技術(shù)，分別于2009年5月、2010年5月及2011年7月通過(guò)三維激光掃描儀（奧地利Riegl，VZ400系列）對(duì)該滑坡處地表三維點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖1　某滑坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分區(qū)

2　三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀屬于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，有一組能夠引導(dǎo)激光儀均勻角速度掃描的反射棱鏡及一臺(tái)高速精確的精光測(cè)距儀組成。激光測(cè)距儀能夠主動(dòng)發(fā)射激光，也能接手物體表面反射光線，實(shí)現(xiàn)測(cè)距的目的。對(duì)每一個(gè)掃描電能測(cè)量到掃描點(diǎn)與測(cè)站的斜距（S），然后參照掃描垂直方向角（θ）與水平方向角（α），通過(guò)計(jì)算可以得到測(cè)站與掃描點(diǎn)見(jiàn)的相對(duì)坐標(biāo)，空間相對(duì)作為見(jiàn)公式（1）。三維激光掃描技術(shù)原理，如圖2：

圖2　三維激光技術(shù)掃描原理

3　三維激光掃描數(shù)據(jù)采集與處理

3.1數(shù)據(jù)采集

利用三維激光掃描儀對(duì)所測(cè)點(diǎn)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。①準(zhǔn)備工作。選擇掃描站點(diǎn)，選在滑坡處對(duì)面300米處，支放三角支架并安裝掃描儀，連接電源、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等裝置。在對(duì)掃描站點(diǎn)進(jìn)行選擇的時(shí)候，要遵循兩個(gè)原則：一是盡可能用較少的掃描點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，降低工作量；二是確保所選掃描電能夠獲取完整的數(shù)據(jù)。②放置標(biāo)靶。將直徑為10cm的標(biāo)靶放置在滑坡點(diǎn)上。放置標(biāo)靶時(shí)，要高低錯(cuò)置，沿四周分布，對(duì)掃描方向正對(duì)，防止出現(xiàn)標(biāo)靶表面與掃描方向的夾角過(guò)大。③粗掃描。在正式掃描之前，先進(jìn)行一次360度粗掃描，對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確保標(biāo)靶可見(jiàn)的精度。④精細(xì)掃描重點(diǎn)目標(biāo)。對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)精細(xì)掃描的目的是為了獲得更精確的幾何坐標(biāo)，掃描的精度為3mm。

3.2數(shù)據(jù)處理

圖3　數(shù)據(jù)處理流程

對(duì)采集到的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初處理，包括點(diǎn)云坐標(biāo)配置、剪裁拼接、賦色及濾波等，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有規(guī)律和組織性，將噪點(diǎn)、異常點(diǎn)、孤點(diǎn)及植被等對(duì)地形測(cè)量有影響的因素去除或降低。因?yàn)榛碌膶?shí)際范圍比較大，存在大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此在處理的過(guò)程中將Ⅱ區(qū)劃分為14個(gè)小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解決由于數(shù)據(jù)量過(guò)大無(wú)法計(jì)算的困難。在數(shù)據(jù)初處理中，點(diǎn)云濾波是重點(diǎn)，會(huì)直接影響到監(jiān)測(cè)的結(jié)果，在三維點(diǎn)云濾波中應(yīng)用2.5D濾波方法：將某一范圍內(nèi)的三維點(diǎn)云用規(guī)則排列的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，則每一個(gè)網(wǎng)格范圍內(nèi)都擁有無(wú)數(shù)個(gè)三維點(diǎn)，將網(wǎng)格內(nèi)縱坐標(biāo)最低點(diǎn)的坐標(biāo)值代表所有點(diǎn)。本次研究中，網(wǎng)絡(luò)的范圍為0.4m×0.4m，將初處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)I-SITE Studio軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模生成DEM，該軟件具有數(shù)據(jù)管理與空間分析的優(yōu)勢(shì)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠更科學(xué)的進(jìn)行分析，使監(jiān)測(cè)的結(jié)果更加直觀的體現(xiàn)出來(lái)。數(shù)據(jù)后處理的主要內(nèi)容如圖3所示。

數(shù)據(jù)在I-SITE Studio軟件中處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)矢量化后，數(shù)據(jù)格式以Polypoint Shapefile格式在I-SITE Studio軟件上進(jìn)行計(jì)算與分析，如圖4。點(diǎn)云矢量化以后有大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)除了包括三維坐標(biāo)以后，還包含激光束振幅信息、反射強(qiáng)度信息等，需要按照后期需要的數(shù)據(jù)信息而選擇使用。

圖4　點(diǎn)云與矢量化后的點(diǎn)

一般情況下，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用多種方式分析滑坡變形，如斷面比較、固定點(diǎn)比較及高程模型比較。通過(guò)DEM比較可以實(shí)現(xiàn)滑坡引起的體積量及位移量的改變。對(duì)于體型較大的山體滑坡，在每期測(cè)量中以1m柵大小作為格生成地形DEM，但是由于遮擋等因素的存在，DEM無(wú)法直接對(duì)比，所以被遮擋的山體不能進(jìn)行計(jì)算。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該滑坡Ⅱ區(qū)采用三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合I-SITE Studio軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在滑坡監(jiān)測(cè)中取得了較好的效果。三維激光掃描技術(shù)對(duì)地表滑坡表面的變形情況進(jìn)行檢測(cè)，能夠進(jìn)行定量分析，對(duì)大中型山體滑坡變形監(jiān)測(cè)尤其適用，該方法具有大面積監(jiān)測(cè)和效率高的特點(diǎn)，只需要一至二人，一兩天到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可，大大降低了工作量，節(jié)約了人力、物力。因?yàn)榛碌拿娣e較大，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，受植被遮擋、環(huán)境變化、濾波等因素的干擾，難以進(jìn)行嚴(yán)格的控制，還有就是在數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，存在一定的誤差，所以對(duì)于一些植被覆蓋廣的大型滑坡，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度至多達(dá)到厘米級(jí)，無(wú)法達(dá)到毫米級(jí)。隨著三維激光掃描技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，該技術(shù)的在更多的巖土工程監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的前景會(huì)更加廣闊。

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X83[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-202-2