基于三維激光掃描的危巖體清除治理設計

楊茂偉,王秀芬,張長龍

(1. 山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014；2. 山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014)

0 引言

危巖體崩塌是地質災害的常見形式，對人口密集區域和工程施工威脅很大，國內外許多崩塌案例都造成了巨大的損失，因此需要對其進行加固或者清除。危巖體治理工作中設計至關重要。它提供的施工工藝、工程量和資金預算等數據，為業主做項目計劃和資金計劃提供依據，為施工單位施工實施提供依據和指導。

當前危巖體野外調查測量多以全站儀、靜態GPS，RTK等方法來開展工作。但是，由于地形條件的限制，尤其是高陡巖體崩塌，傳統的人工實地接觸式調查方法很難達到預期的效果[1]。此外，設計中工作量都是估算值，施工過程中經常出現設計工作量與實際工程量相差很大的情況。由于項目方案和資金計劃已經審批，造成施工單位利潤降低、業主追責等問題出現。

為了解決存在的問題，結合前人的探索示例，把三維激光掃描技術應用在危巖體清除治理工作中，很好的解決了以上難題。該技術是在復雜地形和環境中以非接觸方式測繪點云數據并創建其實景三維模型,從而獲得被測體的空間幾何參數、地質和影像等三維數據，為危巖體清除治理設計提供精準的各項參數[2]。

1 國內地面三維激光掃描儀在地質災害領域的應用現狀

單詩涵等[3]應用三維激光掃描技術在四川漢源萬工集鎮“7·27”災后泥石流預測分析與綜合防治的研究中取得了良好的效果；黃姍等[4]結合具體項目分析了三維激光掃描技術在地質滑坡中的應用，成效顯著；汪燕麟等[5]結合魯甸紅石巖堰塞湖滑坡體測量作業簡述了如何將該技術在震后第一時間服務于災區，對災區大型滑坡區域進行三維重建，精確測量其面積、體積等數據，并對其過程處理要點和方法進行介紹分析。舒飛等[6]以2013年7月13日四川雅安市天全縣南部某地爆發特大規模泥石流地質災害為例，運用地面三維激光掃描儀獲取此次泥石流滑坡高精度三維影像與點云數據，為搶險救災和災后重建提供數據支撐。在野外調查的基礎上，分析了此次泥石流災害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災害的成因和未來發展趨勢。

此外，董秀軍、黃潤秋[7]結合工程實例，闡述應用該項技術解決高陡邊坡調查中，關于邊坡快速編錄和巖體結構面參數測量的原理與方法，由此可以看出該項技術在地質和巖土工程領域的應用前景和價值。周華偉[8]，邱俊玲[9]等都研究了三維掃描技術在地質災害相關領域的應用及取得豐碩的成果，有極強的指導意義。

2 三維激光掃描儀在藥山危巖體清除治理中的應用

2.1 項目概況

藥山位于濟南市天橋區新洋涓村東，面積約為3km2。北部緊鄰繞城高速和二環北路，南側距鐵路1km，東距洛口約4km，西距吳家堡約15km。危巖體災害點位于藥山東側沿線一帶，坡底為新建學校。治理區域長度約380m，寬度約180m，約0.06km2[注]山東省地礦工程勘察院，濟南市天橋區教育局天橋區藥山東側危巖體清除治理工程設計方案，2017年。。

藥山由巖漿巖構成，巖性為輝石閃長巖橄欖蘇長巖，含橄蘇長輝長巖、橄欖輝長巖等。形成危巖的主要原因是區內巖石顆粒結構屬于等粒結構，具有塊狀構造及多組節理裂隙，巖石不易溶解，因風化致使巖體的完整性與力學強度降低，特別是表層巖石長期受風化、水蝕作用，使得巖石破碎，力學強度降低，是形成地質災害隱患的潛在因素[10]。在地震及暴雨等影響下，危巖體可能產生移動，對下方的村民與房屋等產生威脅。為此，當地政府對藥山開展了危巖體崩塌地質災害勘查設計和治理工作[11]。

藥山危巖體清除治理設計采用三維激光掃描儀進行測量，獲得治理區域的大數據量現狀地形，內業設計得出詳細治理方案。

2.2 儀器設備及軟件

目前，市場主流的三維激光掃描儀性能上各有優勢,實際工作中選擇適合項目需要的儀器，項目外業部分選用具有測程遠和植被濾除等功能的RIEGLVZ400i掃描儀實施掃描。采集數據1天，共掃描6站，每站采集約1300萬點。內業對采集數據進行坐標轉換、拼接、去植被、抽稀、提取、輸出、計算等處理，最終獲得治理范圍內的現狀地形數據。

2.3 作業方法

由于測區內，地形起伏較大、植被茂密，通視條件和GPS信號均不好。掃描儀架站盡可能選在視野開闊處，整體上覆蓋測區，局部盲區單獨設站得到測區全面點云數據。掃描距離采用長短結合的方式。

用RTK接入SDCORS來測量標靶中心坐標。通過后處理軟件導入標靶中心坐標，直接完成點云測站拼接以及掃描點云坐標系和平面直角坐標系之間的坐標轉換。

新建項目，設置掃描參數(掃描距離、掃描速度等)，開啟數據采集，獲取周圍地物點云數據。掃描中要求相近站點2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對掃描得到的點云數據進行拼接匹配[7]。

2.4 數據處理

數據處理主要包括：①點云處理：原始數據導入、去除噪聲、數據拼接、拼接精度計算、數據過濾、數據輸出；②輸出數據處理：去噪、提取線劃圖、線劃圖符號化、地形圖輸出。

2.4.1 點云處理

導入原始數據，用RISCAN PRO對其數據進行特性匹配，實現數據拼接[12]，利用選擇兩幅掃描圖像的公共點(至少3個公共點)或者每站標靶點坐標進行測站拼接[7]，接著軟件計算拼接精度，測站拼接精度0.61cm。然后可利用現場測得的標志點(3個)的坐標，對拼接好的點云數據進行坐標轉換，使掃描點云數據與現實場景的方位、位置完全一致[7]。

按以上步驟操作，得到整個測區的完整實景三維點云數據模型(圖1)。對實景三維點云數據進行植被過濾操作，得到測區地面的點云數據，然后進行地形圖線劃和線劃圖輸出(圖2)。

圖1 整個測區三維模型

圖2 線劃提取

2.4.2 生成地形圖

將提取的線劃圖導入CASS9.0軟件進行圖符編輯，得到最后的測區現狀圖和平場標高圖(圖3)。

1—疑似危巖體；2—臺階；3—涼亭；4—高程點；5—路燈；6—內部道路圖3 測區地形圖

2.5 成果應用

三維激光掃描技術為項目設計提供了工作區任意距離、面積、土石方量和地形斷面等多方面數據信息。

(1)三維模型輔助危巖體識別

基于預處理后的點云數據，進行手動任意建模或者智能自動建模，獲得掃描區域精細三維模型。然后，再對所建三維模型進行真彩色配準。設計人員可以對測區整體設計和規劃，通過相關算法輔助分析和識別危巖體情況，然后對各類危巖體從規模和滑動形式進行分類。通過識別，該工作區內共有8處危巖體(表1)。

表1 崩落計算結果

(2)為危巖體穩定性分析提供參數，以五號危巖體為例，如圖4所示。

圖4 五號危巖體實景圖

五號危巖體由一組多塊危巖體組成，由原有基巖風化開裂形成，并沿地形坡度向北東方向發展，形狀不規則。其面積66.4m2，體積55.6m3。北東方向傾靠在下部巖石上，母巖坡面角度約32°。危巖體所在坡面傾向NE6°，坡面角度21°～32°，坡面高差約為39.0m，五號危巖體體積計算如圖5所示。

圖5 五號危巖體體積計算圖

在風化、地震及強雷電等外力作用下，危巖體可能失穩，形成危巖地質災害，危害下方學校安全。從危巖體運動形式分析，其類型為滑動型危巖，其下方適當位置應設置剛性安全防護。

傳統方法地質剖面主要是實測或在地形圖中切取。而崩塌危巖體，山高、坡陡，一般不具備實測的可能；在地形圖中切取剖面，受地形圖的精度影響較大，且不能反映出負地形的存在。點云數據逼近原型，是實物的真實反應，從中切取剖面圖[13]，其精度高，誤差遠小于常規測量，并且能將凹巖腔等負地形展現出來，可以導出CAD及其它主流軟件能編輯的格式，不僅能對任意位置的剖面進行切取，還能通過指定間距，進行多個平行剖面的連續切取[14]。這也是傳統測量無法實現的成果，將有助于穩定性分析和破壞模式的劃分[15](五號危巖體所在位置剖面見圖6)。

圖6 五號危巖體所在位置剖面

以上分析中相關區域的位置、距離、面積、體積、角度和高差等數據直接在三維實景模型中量取。尤其是三維激光掃描的海量高程數據可以使危巖體方量計算的方格網由米級精度提高到厘米級，使方量計算精度得到極大的提高[16]。

根據規范、相關規定和危巖體的堆存現狀、形成機理及影響因素綜合分析，目前五號危巖體處于平衡狀態，但隨著時間延長，隨著風化作用加劇，特別是在遭受地震或雷擊等外力影響后極易失穩，從而產生危巖崩塌災害。

根據格列其謝夫公式計算落石崩落距離(圖7)。

式中：α—邊坡坡角(°)；H—坡高(m)。

圖7 落石崩落距離簡圖

經計算可知，5號危巖體崩落距離如表2：

表2 危巖體崩落距離計算

以上距離和斷面參數均可在三維模型中量取，從而取代傳統靠羅盤和皮尺現場量取崩落參數的方法；標高、邊坡坡腳和坡高等參數可由三維模型形成的斷面圖獲得，從而分析出危巖體穩定性(表3)。

表3 危巖體穩定性分析

(3)輔助工程量精確計算

危巖體清除治理設計除了設計參數外，工作量計算和資金預算也非常重要。原先設計人員都是估算，一般都是預算比實際投入大很多，給業主造成資金浪費。采用三維激光掃描技術輔助工程量計算可以使工程量精確到1%平方米和立方米，預算額可以做到精準控制(表4)。

表4 危巖體清除治理工程量總概算表

3 結語

崩塌地質災害治理在防災減災、恢復地質環境的同時，將會產生明顯的社會效益、環境效益，同時也產生一定的經濟效益[17]。將三維激光掃描技術應用到對危巖體的測繪設計是對傳統地質災害調查方法的有益探索與創新，極大提高工作效率的同時，也提高了危巖體治理與設計的精度。更可利用掃描采集的數據對地質災害進行研究，為滑坡災害的防護提供寶貴的研究資料，將其各種效益最大化。

三維激光掃描技術是“繼GPS技術后又一測繪技術創新”[18]，具有快捷、方便、準確、動態、實時、全數字化、高精度、測量方式靈活、非接觸測量等特點，三維掃描提供了危巖體的體積、位置、尺寸、方位和其所在位置的坡度等詳盡的參數，為設計分析危巖體穩定性，計算施工工程量和預算提供了精確的依據。

地面三維激光掃描技術在我國尚處于初始階段，尤其在地質災害相關領域的應用，相關規范與標準尚且不齊全，今后需要不斷規范和完善。