三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究

胡穎 謝天 楊希

摘要：我國是地質災害多發區，其中滑坡災害每年會造成上百人傷亡及數十億元的經濟損失。將地面三維激光掃描技術應用在滑坡變形監測中，能快速準確地進行測量，這對滑坡預警、災后重建有著重大意義。本文介紹了國內外滑坡災害監測的研究現狀及其發展，提出了將地面三維掃描技術用于監測地表形變產生的滑坡災害的方法。闡述監測工作原理、變形分析方法，探討了此方法中點云數據處理的過程，并對比了目前常用的幾種滑坡監測方法。

關鍵詞：三維激光掃描；滑坡監測；地表形變；點云數據

Application of Ground-based Three-dimensional Laser Scanning in Landslide Monitoring

Hu Ying1，Xie Tian2，Yang Xi1

1. Hubei Quality Supervision and Inspection Station of Surverying Surveying and Mapping， Wuhan 430071， China；

2. Hydrogeological team， Geology Bureau for Nonferrous Metals of Guangdong Province， Guangzhou 510811， China

Abstract： China is constantly threatened by the geohazards. In particular， the landslides lead to hundreds of causalities and billions of Chinese Yuan of property lost. The ground-based three-dimensional （3D） laser scanning can be applied in the landslide displacement monitoring and is of significant importance to the pre-failure forecast and post-slide reconstruction. This paper introduces the contemporary landslide monitoring tools and its development in China and worldwide， with a focus on the 3D laser scanning approach. We elaborate the principle and methodology of the point cloud data processing and compare some generally used landslide monitoring techniques.

Key words： Three-dimensional laser scanning； Landslide monitoring； Surface deformation； Point cloud

1.引言

根據自然資源部最新發布的2018年全國地質災害通報顯示，我國2018年共發生地質災害2966起，造成185人傷亡，直接經濟損失14.7億元。其中滑坡1631起，占地質災害總數的55%[1]。

目前，國內外滑坡災害監測主要內容有地表形變監測、深部位移監測、力學參數監測以及環境影響因素（地表水、地下水、降雨量等）監測和宏觀地質現象監測。而地表形變是滑坡災害發生前最直觀的信息，監測地表目標點位移是滑坡監測預警的重要內容和有效手段。在我國現行《滑坡、崩塌監測測量規范》中，采用經緯儀、測距儀、GPS來測量相關數據[2]，這種傳統單點式監測僅能對人員可達的滑坡建立的實地觀測點進行監測[3]。此方法的缺點是成本高且變形監測點數少，難以發現監測范圍內局部區域的變形情況，且監測點一旦被破壞會嚴重影響資料的連續性。也有學者提出了其他方法：劉立的基于北斗與合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）的地質災害監測關鍵問題探討[4]，朱慶的重大滑坡隱患分析方法綜述[5]，林沂的偏振激光雷達對地觀測遙感[6]，LiZheng Deng的聲傳導法監測[7]等。

三維激光掃描儀分為星載（機載）激光掃描儀、地面激光掃描儀、手持激光掃描儀三種。星載（機載）激光掃描儀相對地面激光掃描儀而言，產生了額外的姿態參數、飛行參數等，誤差來源多于后者，精度較后者低。手持激光掃描儀多用于房產測繪等距離短的測量。本文談到的均為地面三維激光掃描儀。它是一種集成多種高新技術的新型測繪儀器，采取非接觸式獲取信息的手段，通過掃描被測目標區域大量密集點的信息，最真實、直接地反映被測目標事物實時的變化特性，所以越來越多地被應用于快速獲取三維空間數據，為滑坡監測提供了一種新選擇。

地面三維激光掃描儀把激光脈沖發射體發射出的窄束激光脈沖通過兩個快速旋轉的同步反射棱鏡，掃描被測目標。通過測量每個激光脈沖從發射到返回儀器所需要的時間，計算出儀器與被測物體間距離。與此同時，測量每個脈沖激光的角度，綜合計算出落在物體表面激光點的三維坐標。三維激光掃描以平面掃描的方式，高效率、測量精度均勻，能分辨出滑坡體細微變形和蠕變。因此將三維激光掃描技術引入到滑坡變形監測領域，無疑非常有意義。

2.將地面三維激光掃描儀用于監測滑坡的工作流程

2.1通過掃描監測滑坡體確定監測物

地面三維激光掃描測量每次掃描會得到一個面上不同點的數據，這些“密密麻麻”的點構成了掃描物體的表面。點越多，與實際物體表面的重合性越好。云數據處理不是以單點為處理單位，而是以“點群”為單位進行處理。學者們為此也提出了各種不同的算法。劉文龍在基于三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究中[8]，通過在待掃描的滑坡區域內布設掃描控制點，由GPS和全站儀先測量這些點的坐標，再通過這些點的坐標把點云數據轉換成大地坐標。但地面三維激光掃描測量采用的是無固定目標的測量方式，就是說每次掃描的測量點都不會重合，點云數據中可能不含GPS測量出的控制點數據。徐進軍在基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理中[9]，提出了從“變形監測塊”上提取點云數據的算法，但需要該監測塊是球類或者圓形面，或者至少有一個平面，如果不是人工設置監測塊，很難達到這一要求。

為了將掃描點云全部用于為了計算變形，需要從每期的點云數據中確定同名點并計算其坐標。這里提出提取監測物上重心的思路。

獲取監測物，必須首先根據點云數據提供的形狀、大小、顏色、紋理、色調等標志中分辨出各個體積較大的物塊，選取這些物塊有兩種形式：

（1）在大部分滑坡體上，會裸露出很多巖石塊，這些巖石塊的幾何特征和物理特征明顯，通過點云數據，可以將這些巖石塊識別成一個個的獨立個體。（2）如果滑坡體上裸露的基本是土質，沒有適合作監測用的天然地物，則可以在滑坡體合適的部位人工布設簡單的、便于識別的物體。

2.2坐標的計算

我們視前面所選取的監測物為均勻物質，根據落在監測物上的點云數據計算出它重心的三維坐標，得到我們需要的“同名點”。不同于GPS、全站儀是直接測量得到監測點三維數據，三維激光掃描測量得出的同名點三維坐標數據是計算出來的。雖然如此計算出的點位精度較低，但這樣的監測物的數量卻多于GPS和全站儀測量所需要的控制點。即使需要人工布設監測物，也只需布設便于識別的物體，速度較快。

2.3點云數據的處理過程

現在開發出的處理點云數據的軟件很多，如ScanMaster，SouthLidar，JRC 3D Reconstructor等。學者們也對點云數據的處理提出了各種方法[10-12]。點云數據處理通常分為以下幾個步驟：

（1）數據編輯：剔除粗差，剪切與建模無關的點云數據。（2）數據配準：尋找同名點，然后將同名點和測量得到的點云數據坐標轉換，轉成和基準點及控制點統一坐標系統，使同一測站上測得的同名點、基準點、控制點形成一個整體。（3）數據拼接：根據不同測站上公共點的坐標，將不同測站上測量的點云數據轉換到統一坐標系統中，形成一個整體。（4）數據比較：根據點云數據，建立與被測區域相應的實體模型。在前面的滑坡變形測量中，我們提取了各個監測物上的虛擬“重心”坐標，這些坐標就是我們每次掃描監測需要的同名點。因此不需要整個滑坡體的點云數據參與計算，只需要這些“重心”坐標參與以后每次監測測量的比較分析。

地面三維激光掃描儀監測滑坡工作流程如圖1。

3.地面三維激光掃描儀可達技術參數

目前，徠卡ScanStation P50三維激光掃描儀長距離可達到1000m，測距精度為1.2mm+10ppm（270m模式）/3mm+ 10ppm（>1000m模式），角度測量精度為8s。拓普康GLS-2000三維激光掃描儀標準模式下距離可達350m，測距精度3.5mm/150m，測角精度6s。南方FARO FOCUS S350地面三維激光掃描儀最遠測距350m，測距誤差1mm，測角精度19s。

4.攝影測量與地面三維激光掃描在滑坡監測上應用對比

利用三維激光掃描儀進行滑坡監測，一定范圍內可取代傳統的測量過程。三維激光掃描儀測量速度快，采集信息量大，可以形成滑坡體的點云圖，進一步可生成尺寸精確的滑坡體立體模型，使滑坡體的變形分析更加形象直觀。

目前很多學者提出了采用攝影測量的方式對滑坡進行監測。攝影測量和地面三維激光掃描有著共同的優點：自動化程度高，外業作業工作量少，無接觸測量可保證人員設備安全，需要進行控制點野外施測等。我們從以下幾個方面進行比較。

4.1數據格式

攝影測量得到的初始數據為數字化影像，簡單來說就是一張“像片”。單憑一張影像無法獲取數據，需要對多張影像預處理，過程包括影像增強、降位處理、去薄云處理等。之后，進行影像判讀，解譯出地形要素。在拼接數據時，采用相對定向和絕對定向方式，最后獲得地表空間信息。

地面三維掃描儀，通過發射激光、接受激光，得到富含位置信息的點云，可直接在點云中進行空間計算，數據匹配采用的是坐標匹配。

4.2測量精度

地面三維掃描儀直接對目標區域進行測量，然后進行計算，攝影測量需要從圖像信息轉換成三維數據。因此地面三維掃描儀在同等條件下數據精度更高。

4.3外業測量對環境的要求

攝影測量對氣候環境要求高，對天氣、光強度有嚴格要求。地面三維掃描不受溫度和光強的影響，夜晚也可以工作。

5.地面三維激光掃描技術的特點

5.1優勢及主要特點

（1）高效性與高精度性：地面三維激光掃描系統可以在快速獲取測量形體表面的海量點云數據，工作效率高。作業員在掃描作業的時候可以利用軟件對掃描間隔進行設置，所以掃描的點云數據具有高密度性。只是如果掃描間隔過小，掃描所需要的時間相應比較長而已。其高精度性質是由掃描儀本身的測量精度決定。（2）非接觸性：地面三維激光掃描系統掃描的時候不需要事先接觸掃描目標體，基于這種優點，測量人員可以避開危險區域，人身安全得以保障。（3）直觀性：可獲得監測區域的整體位移分布信息，即位移云圖[13]。根據云圖，使用人員能夠直觀明了的判斷滑坡區域的位移情況，及時制定防災方案，排除隱患。（4）智能性：由于地面三維激光掃描系統對掃描數據的快速性使得采集的三維數據具有實時動態的特征，且它不受測量員能力水平、工作經驗、情緒精力等人為因素的影響，夜間無須照明就能進行觀測，從而大大提高了工作效率。儀器的智能化大大降低了作業員的腦力工作，從而簡化了測站人員的工作。（5）數字化、自動化：激光掃描系統不僅具有直接獲取目標體的距離信號，而且掃描過程非常容易控制，實現成果的自動化顯示輸出，具有良好的可靠性。（6）兼容性：將GPS定位系統集成于地面三維激光掃描系統之上，通過掃描控制軟件中內部坐標的轉換，可以直接獲得滿足于監測需要的各種坐標下的點云的三維坐標數據。

5.2劣勢和不足

（1）一般而言，地面三維激光掃描儀的價格高，屬于市場上的高檔儀器設備。（2）我國目前暫無三維激光掃描儀產品標準及檢定規范，導致相關設備的產品性能指標無法得到科學的驗證，在實際測量中也很難檢驗該儀器是否達到標稱精度。（3）掃描數據的后處理軟件表現形式多樣，各生產廠家的軟件不能很好地兼容，對于后續的點云的數據處理和建模等研究工作造成了很大的困難。（4）多站采集點云數據時，由于地形起伏造成的遮擋、轉站測量時的誤差，掃描數據拼接誤差等。這些誤差會影響后續建模精度[14-16]。

6.展望

展望未來的實際工程應用，還有以下幾點問題有待進一步改進或提高：

6.1數據采集的盲區問題

在掃描工作的實施過程中，因為激光光源反射，特定材料對其敏感性不高，所以會有盲區出現在掃描范圍內，例如掃描結果不但會受潮濕地表的影響，而且也會受綠色植被的影響。

6.2掃描距離遠近的影響

地面三維激光掃描儀主要靠激光的特性來實施各項工作，距離的遠近直接影響著點位的測量精度，這就導致作業中掃描測站點變化帶來的麻煩。

7.結論

本文提出了用地面三維掃描儀監測滑坡災害，在海量云數據中提取監測物，通過落在監測物上的點云數據虛擬監測物重心坐標，以此找到同名點，用此同名點進行點云數據拼接的思路。相信隨著三維激光掃描技術的不斷發展，掃描儀硬件、軟件日臻完善，地面三維激光掃描技術將會成為滑坡監測與預警的一種常規監測手段。

參考文獻：

[1]自然資源部地質災害技術指導中心.全國地質災害通報（2018年）[EB/OL]. （2019年4月17日）[2020年2月1日] http：//www.cigem. cgs.gov.cn/sghdzcg/dzzh_4869/dzzhdc_4871/201904/t20190418_ 479426.html

[2]滑坡、崩塌監測測量規范.中華人民共和地質礦產行業標準. DZ/T 0227-2004.

[3]王尚慶，徐進軍.滑坡災害短期臨滑預報監測新途徑研究[J].三峽大學學報（自然科學版）， 2006， 28（5）： 385-388.

[4]劉立，李長安，高俊，等.基于北斗與InSAR的地質災害監測關鍵問題探討[J].地質科技情報， 2019， 38（6）： 141-149.

[5]朱慶，曾浩煒，丁雨淋，等.重大滑坡隱患分析方法綜述[J].測繪學報， 2019， 48（12）： 1551-1561.

[6]林沂，周國清，童慶禧.偏振激光雷達對地觀測遙感[J].遙感技術與應用， 2019， 34（2）： 232-242.

[7]Lizheng Deng， Hongyong Yuan， Jianguo Chen， et al.Experimental investigation on progressive deformation of soil slope using acoustic emission monitoring [J]. Engineering Geology 261（2019）105295.

[8]劉文龍，趙小平.基于三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究[J].金屬礦山， 2009， 392（2）： 131-133.

[9]徐進軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理[J].巖土力學， 2010， 31（7）： 2188-2196.

[10]賀婧.三維激光掃描儀點云數據的應用研究[J].楊凌職業技術學院學報， 2019， 18（2）： 20-22.

[11]郭興，周昱彤.三維多視點數據拼接方法研究[J].江西測繪， 2019， 119（1）： 26-29.

[12]陳凱，張達，張元生.三維激光掃描點云數據盲區邊界識別與應用[J].有色金屬， 2019， 71（5）： 6-9.

[13]王旭，唐紹輝，潘懿，等.基于三維激光掃描技術的高陡邊坡監測預警研究[J].礦業研究與開發， 2018， 38（11）： 75-78.

[14]廉旭剛，蔡音飛，胡海峰.我國礦山測量領域三維激光掃描技術的應用現狀及存在問題[J].金屬礦山， 2019， 513（3）： 35-40.

[15]馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢大學， 2005.

[16]鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程， 2005， 14（2）： 32-34， 56.