SX10三維激光掃描儀在地質災害監測中的應用

焦川川 楊文彬

(湖南省地質礦產勘查開發局402隊 湖南 長沙 410008)

我國是世界上地質災害頻發的國家，南方省份山地、丘陵地區是地質災害的高發區域。這些地區地質條件復雜，降水較多，加之工程建設等因素，崩塌、滑坡、泥石流等時有發生，給人民生命財產造成嚴重損失。地質災害隱患多、破壞性強、防范難度大，傳統監測手段越來越難以滿足需求。三維激光掃描儀的出現，為地質災害準確、高效的預報預測提供了一種新的技術手段。

一、三維激光掃描技術與傳統測量方法的比較

三維激光掃描技術采用非接觸式高速激光的測量方式，可以在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量，獲得點云數據。由于三維激光掃描測量系統具有快速性、實時性、高密度、高精度等特點。三維激光掃描儀在地形測量、地下空間測量、建筑測量、逆向工程、工業測量、變形監測等多方面有實際應用。

表1 三維激光掃描技術與傳統監測方法比較

二、SX10三維激光掃描儀與傳統掃描儀的比較

天寶SX10高度集成了三維激光掃描儀、自動全站儀及近景攝影測量技術，主攻長距離和高精度掃描方向。儀器測角精度1″；測距精度棱鏡模式1mm+1.5ppm、DR模式2mm+1.5ppm，有效測距600m。測量時可像全站儀一樣直接設站，無需特殊標志配準；長距離測量可有效減少點云拼接次數，提高監測精度。傳統掃描儀如瑞格VZ系列、天寶TX系列及法如Focus3D系列，雖然測距精度很高且能夠以50-100萬點/秒的高速掃描點云，但是由于測角精度為8-15″，實際長距離點位精度并不高。

監測點P相對于架站點誤差公式如下：

(1)

說明：ms為測距中誤差；mθ為測角中誤差；s為儀器到監測點的水平距離。

根據公式(1)可以計算出SX10在大于傳統掃描儀5倍的工作距離上仍可以達到相同的點云精度。因此傳統掃描儀更適合一般的掃描測量或是近距離的變形監測，如隧道的變形監測。

地質災害監測變形控制值一般要求30-50mm，根據《工程測量規范》要求，監測精度應達到控制值的1/10，即要控制在3-5mm之內。由于地質災害的特殊性，占地規模通常較大，且不能抵近測量，SX10掃描儀無疑更適合。

三、SX10掃描儀的工程應用

某大型石灰石礦坑，頂部直徑約450m，底部直徑約380m。礦坑邊坡高度約為70.0-100米，坡度45-90°，坑頂有土層覆蓋。礦坑周邊存在溶洞和采空區，邊坡巖體類型為Ⅱ類-Ⅳ類，部分區域裂隙發育，易產生巖層層面平面滑移破壞或楔形體破壞。局部巖體突出，底部臨空形成危巖。

(一)常規監測方法的困難與缺陷

原設計方案擬在基坑周邊布設多個深層水平位移(測斜)以監測巖體穩定情況，實際工作開展具有以下難點及局限性：

(1)因礦坑周邊存在采空區、溶洞等情況，現場鉆孔作業易造成卡鉆、鉆桿墜落等意外事件。

(2)如測斜管進入溶洞或采空區，管身無法固定，穩定性沒有保障，監測數據不可用。

(3)即使測斜管全部埋入穩定的巖體，由于現場坡度的存在，管頂距離基坑邊1m時，管底距離礦坑臨空面通常已經超過20m，即使有危巖塌落，深層水平位移數據未必有反映。

水平位移方面，原設計方案擬在礦坑內表面按照20米的垂直間隔布設3層水平位移點,每層相鄰位移監測點間隔約20m。由于礦坑側壁凹凸不平，且裂隙發育、有危巖存在。人工現場鉆孔布設棱鏡施工難度較大，且易發生安全事故。由于監測點位過多，實際全站儀測量時間耗費時間太長。

(二)SX10三維激光掃描儀應用

在礦坑周邊穩定區域布設基準點，通過自由設站的方式建立測站進行掃描獲取監測區域的三維點云(內置相機同時可獲取顏色信息)，最后通過點云拼接形成監測區域完整的點云數據。后期通過同樣方式獲取數據與首期對比，通過Trimble RealWorks軟件分析可知被測區域的變形情況。

內業先對點云進行預處理，對點云進行分類，濾除植被、現場人員、機械等無關點云信息。分割點云，選取兩期點云共同范圍作比較。

隨后進行檢測,面與面檢測過程中首先要定義投影面。如沉降監測可以選擇基于平面的投影，設置水平參考面，檢測豎直方向的變形情況；礦坑內部水平位移監測可以選擇圓柱形投影，以獲得周邊土體、巖體相對于礦坑中心軸的變形情況。

然后設置分辨率，確定數據投影到參考面的精細程度。在預覽檢測功能下即可查看監測區域的變形情況。

圖1 檢測模型界面變形分析

在軟件檢測模塊下還可以選擇點云數據，設置分辨率，由三維點云構成空間三角網，最終生成表面模型。同檢測模型一樣，設置的空間分辨率越高，成果越精細。

圖2 監測區域表面模型成果

如工程需要獲取特定斷面的變形數據，可以利用檢測圖分析工具的切片功能實現。在檢測圖上手動設置特定的切線，或按間隔設置切面，軟件即可自動生成斷面變形數據成果。

圖3 斷面變形成果分析

受限于現場地形條件及安全管理要求，傳統測量方法及一般三維掃描儀無法對石質邊坡上的裂縫進行有效監測，SX10激光掃描儀可以解決這個難題。儀器自帶長焦相機，在50m的距離上分辨率可達0.88mm，可有效監測高邊坡裂縫寬度、長度、走向以及發展情況。

四、結語

SX10三維激光掃描儀具備自動監測全站儀的全部功能且精度與其相當，在地質災害監測工作中完全可以替代全站儀。SX10作業速度快、采集的點云密度大、精度高，大大提高了外業效率，實現了地災形變監測工作由點向面的跨越。三維激光掃描技術提高了預測預報的準確性與及時性，同時也節約人力物力，保障了作業人員生命安全。

使用Trimble RealWorks軟件對點云進行專業處理可以獲得投影面變形分析成果、數字表面模型成果、斷面變形分析成果以及地災塌方體積計算等資料，可充分滿足工程建設及搶險救災工作的需要。

地質災害監測是一項復雜的工程，它包括形變監測和物理量監測(如應力、溫度、降雨量、土壤含水量監測等)。一個優秀的監測系統除了靈敏性還需要一定的技術冗余保證監測成果可以相互驗證(如沉降與地下水位的關系，應力大小與水平位移的關系等)，以保證監測系統的有效性。因此，在使用SX10進行形變監測時，同樣要注重物理量的監測。