基于三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究

白立飛

山東省地質測繪院，山東濟南 250002

中國地理地質、生態環境類型繁多，因此也存在較多的地質災害影響，對經濟發展和社會穩定影響較大的包括地震、洪水、泥石流、滑坡等。尤其“滑坡”作為一種多發性地質災害引起了人們關注，如“11.13麗水山體滑坡事故”、“12.30深圳滑坡事故”、“茂縣山體滑坡事故”等，對人民群眾生命財產安全造成了損失、威脅。滑坡災害具有較強的可預防性，如“實時監測”就是一種簡單、可行的方法，但尚遠遠不足滿足需要。三維激光掃描技術在不接觸滑坡的情況下，能夠快速反應滑坡整體變化趨勢，測量精度高、速度快，并通過云技術處理、計算機建模等方式，進行滑坡運動趨勢判斷，從而做好災害預防。

1 三維激光掃描技術應用現狀

結合國內外研究現狀，三維激光掃描技術被譽為繼GPS技術之后的最先進測繪科學，它引領測繪領域進入全新技術“革命時代”。一方面，通過三維激光掃描技術應用，可以快速獲取精確的數據，并直接實現掃描對象的計算機建模，因此也被稱之為“實景復制”技術。另一方面，由于該技術通過掃描表面獲得的是實物“三維數據”，所以每一個點（xi，ym，zn）都是直接獲得，在后期不需要做復雜處理即可使用，并最大限度保障了數據真實性、可靠性和完整性。

一個完整的三維激光掃描系統包括：激光掃描系統、激光測距系統、CCD相機、校正系統及儀器設備控制系統等。基于滑坡監測的地面掃描特征，還需要便攜式電源、筆記本、三腳架等設備。具體工作中，整個系統基于同一操作平臺下，通過軟件支持實現多種、多個傳感器集中管理；較為典型的滑坡監測應用，如2003年奧地利Rigel公司利用LMS-Z420三維激光掃描儀對阿爾卑斯山冰川的監測，Optech公司利用ILRIS-3D激光掃描系統+GPS技術進行的MIAGE冰川北部進行的監測。

2 三維激光掃描系統應用原理與特點

2.1 三維激光掃描技術應用原理

結合不同的掃描位置、角度分析，三維激光掃描儀主要包括：車載型、地面型、手持型三類。用于滑坡監測的三維激光掃描技術應用主要是“地面型”，進一步細分，其一為移動式掃描系統，其二為固定式掃描系統。移動式掃描系統以車輛為搭載工具，包括GPS天線、數碼攝像機、傳感器、距離測量器等工具，其優勢在于可以實現連續掃描，又具備POS系統直接獲取地理坐標的優點。但相應地，這種類型的應用存在價格劣勢，由于設備十分昂貴，并不適合廣泛普及；固定式掃描系統在滑坡監測應用中較為常見，其工作原理與全站儀十分類似，主要的系統部分為數碼相機、三維激光掃描儀和控制軟件系統。但這種類型的應用缺點也十分明顯，由于它需要在多個固定點采集數據，所以最終數據呈現是拼接形式，并且缺乏POS系統無法獲得地理歸化三維坐標體系。

結合原理分析，主要在于激光測距系統、激光掃描系統兩個方面。

一方面，激光測距系統。激光測距系統的發展先后經歷了脈沖式、相位式、三角法三個階段，其中“脈沖測距法”應用十分廣泛，絕大多數激光掃描儀都基于這一技術實現。首先通過二極管發射激光脈沖，經由旋轉棱鏡射向被測實體，然后反射回來被探測器接受并記錄，最后利用信號發射、接受的時間差來計算距離，計算公式為：

其中，S代表被測距離，C代表激光速度（即光速），T代表往返時間差；相位式測距的原理主要根據無線電波段頻率，激光掃描儀可以自動調整頻率幅度，利用調制光往返形成的相位延遲計算距離，其計算公式為：

該方法主要用在近距離掃描；三角法測量原理依據三角幾何關系，可以快捷地測得掃描目標與掃描設備中心距離，這也是目前最為精確的測量方法。

另一方面，激光掃描系統。包括電鏡掃描、全系光柵掃描、多棱鏡掃描、光機掃描等都是較為常見的激光掃描系統應用對象，其實現核心控制在于掃描間隔、高頻成像和大幅度掃描三個層面。在實現原理方面，設定掃描儀中心空間位置為三維坐標原點（0，0，0），其中x軸代表網線前進方向，y軸、x軸垂直形成的平面以順時針為參考，z軸垂直；激光掃描儀發射的脈沖信號被反射后，利用時間差計算掃描站點到被測實體表面任意一點的距離，進而通過橫向、縱向的整體性掃描，獲得三維坐標，計算公式為：

式中：α、 θ分別代表反射、入射角度。

2.2 三維激光掃描技術應用特點

第一，非接觸。滑坡監測過程中需要實現大面積、遠距離的測量作業，而三維激光掃描技術可以在不接觸目標表面的情況下實現數據收集，可以規避一些危險或不可及的區域監測。

第二，高速性。三維激光掃描技術的采樣點速度可達到每秒鐘50000點，更為先進的設備可以達到幾十萬、上百萬，在獲得大面積實體掃描的同時滿足了精確性需求。

第三，主動性。該技術不需要外部光源，可以全天候進行作業，突出主動性優勢。

第四，穿透性、結合性。由于三維激光掃描技術具有較強穿透能力，可以規避植被對監測目標的信息覆蓋，同時結合外置相機、GPS系統等可以獲得更準確、更詳細的數據，擴展了應用空間。

第五，自動化、數字化。利用三維激光掃描可實現數字坐標信息直接轉化，自動化優勢明顯，在后期處理、輸出、格式轉換等方面節省大量人力物力財力。

3 三維激光掃描技術應用實證

實證研究對象選擇北方某風景區一處滑坡區域，滑坡橫向長度100m、垂直高度70m，滑坡形成原因為上部蓄水池開裂，山體四周不斷遭受雨水沖刷，而此地作為景區環境的組成部分，容易造成人員傷亡，存在進行監測的必要性。

基于同一坐標系統內實現檢測數據比較的目的，控制點選擇較遠，但確保各個點之間能夠相互通視，而監測點選擇在坡體裂縫兩側，按照1/4扇形對稱的方式選擇四個監測點，并使用尼康DTM-352全站儀展開邊角觀測。

此外，考慮到整個滑坡區的區域有限，監測過程并不需要重復、多次設立站點。應用三維激光掃描儀（徠卡ScanStation-2）進行數據采集、數據與處理、數據輸出三個步驟操作。

第一，數據采集。該操作是三維激光掃描技術運用的基本環節，為了提高精確度，必須最大程度規避人工造成的誤差，在進行數據收集之前，對現場的一些雜物進行了必要清理。數據收集過程包括架站、定向、拍照和掃描四個步驟，其中“掃描”又分為粗掃、細掃兩個部分。

第二，數據預處理。利用Cyclone軟件進行數據預處理，主要包括噪聲處理、多是點云拼接、點云濾波操作等。其中，“去噪”是一個最重要的環節，這涉及到滑坡體表面上存在的干擾因素，可能造成掃描系統生成較大誤差，一些無法人工清理的內容，如電桿、建筑等，可在后期進行手工刪除。

第三，數據輸出。利用Cyclone軟件可導出.txt格式的數據文件，其來源主要是自編程序對掃描點生成的DEM模型。軟件界面中包括了表面涂、等值線圖、土方量、曲面DEM等，尤其是可利用CAD圖實現可視化分析，能夠直觀地觀察滑坡變化情況（歷史數據、實時數據）。其中，關于邊界坐標文件的獲取，一方面可利用Cyclone點云數據提取，并按照一定格式編制。另一方面，運行程序中可以提取坐標文件。

4 結語

鑒于三維激光掃描技術的種種優勢，如精確度高、測量范圍大等，其應用也逐漸從工業領域延伸到生態環境領域，并在測繪科學中發揮了重要價值。本文重點探討了其在滑坡監測中的原理、特點和實證內容。但就應用現狀而言，大面積普及該技術還存在一些障礙，主要是由于其應用成本過高造成的。隨著信息技術的不斷發展，下一階段三維激光掃描技術在生態監測領域的應用需求會更強烈，降低成本是一個重點研究方向。同時，也不可忽視技術方面存在的問題，如與傳統測量設備相比，三維激光掃描技術的實現需要大量設備支撐（系統化），這必然導致行動不便，在進行滑坡監測中存在空間操作困難；需要不斷建立、優化滑坡災害的預報體系，如變形信息、土方量變化趨勢等，還需要做出大量工作。

[1] 馮曉亮.三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用分析[J].建材與裝飾，2017（9）：231-232.

[2] 明國輝.三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用研究[J].工程建設與設計，2016（18）：193-195.

[3] 王梓龍，裴向軍，董秀軍，等.三維激光掃描技術在危巖監測中的應用[J].水文地質工程地質，2016，43（1）：124-129，142.

[4] 王炎城，鐘煥良，石雪冬，等.三維激光掃描測量技術在滑坡監測中的應用[J].地理空間信息，2015，13（3）：138-141.

[5] 褚宏亮，殷躍平，曹峰，等.大型崩滑災害變形三維激光掃描監測技術研究[J].水文地質工程地質，2015，42（03）：128-134.

[6] 馮婷婷，張鍵，馮鵬飛.三維激光掃描技術在開采沉陷監測中的應用[J].礦山測量，2014（5）：89-92.