基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)災(zāi)后滑坡的應(yīng)急監(jiān)測

李鴻均 邱延林

（中國安能建設(shè)集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都611136）

1 概述

近年來，我國中西部地區(qū)接連出現(xiàn)特大滑坡事件，2019 年7 月23 日貴州六盤水水城縣發(fā)生特大山體滑坡，山體滑坡的危害受到很多因素的影響，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人身財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅[1]。在應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中快速獲取該滑坡體地形數(shù)據(jù)，分析滑坡運(yùn)動(dòng)的變化特征，準(zhǔn)確分析判斷滑坡的穩(wěn)定性，以保障救災(zāi)人員的安全尤為重要。基于此，本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)災(zāi)后滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測，為分析該災(zāi)后滑坡變形趨勢以及制定救援方案提供依據(jù)。

2 地面三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)[2]是一種非接觸式主動(dòng)快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云技術(shù)，成為一種高時(shí)空分辨率三維對(duì)地觀測手段，通過主動(dòng)獲取物體表面三維坐標(biāo)（X、Y、Z）和一定屬性（反射強(qiáng)度等）的不規(guī)則空間分布的三維點(diǎn)云[3]。三維激光掃描儀（Riegl VZ-1000）是奧地利Riegl 公司具有全波形回波性能、實(shí)時(shí)全波形數(shù)字處理和分析技術(shù)的脈沖式掃描儀器，掃描距離范圍達(dá)到1400m，并在100m距離處精度為5mm。

三維激光掃描系統(tǒng)主要包括三維激光掃描儀、外接電源、高清數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、充電器、電源線、網(wǎng)絡(luò)連接線、專業(yè)三腳架和配套R(shí)iSCAN PRO軟件[4]。如圖1 所示為Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀：

圖1 Riegl VZ-1000 三維激光掃描儀

3 案例應(yīng)用

2019 年7 月23 日21 時(shí)20 分許，雞場鎮(zhèn)坪地村岔溝組發(fā)生山體滑坡，由于持續(xù)降雨，山體含水量飽和出現(xiàn)土層崩塌易發(fā)生泥石流，并迅速轉(zhuǎn)化為高速碎屑流。滑坡體橫向距離約為600m，縱向垂直距離約為500m，斜距約為1650m，滑坡體面積約40 萬m2，土方量大約200 萬m3。如圖2 為貴州水城7·23 特大滑坡現(xiàn)場。

圖2 貴州水城7·23 特大滑坡

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程。對(duì)貴州水城7·23 特大滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，采用Riegl VZ-1000 地面型三維激光掃描儀，采用固定單站坐標(biāo)點(diǎn)的掃描方式，在同一位置對(duì)滑坡體進(jìn)行多次掃描。在掃描時(shí)，以當(dāng)天日期、前后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)排序?yàn)閿?shù)據(jù)命名的方式，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集工作。

本次掃描區(qū)域包含整個(gè)滑坡體，該滑坡體山體表面的雜草相對(duì)較少，減少了數(shù)據(jù)點(diǎn)云在采集過程中的干擾，也為數(shù)據(jù)的預(yù)處理提供了方便，提高了數(shù)據(jù)點(diǎn)云的精確性和可靠性。本次共采集滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)11 期，其中7 月25 日下午采集五次，間隔0.5 小時(shí)采集一次；7 月26 日采集4 次，間隔4 小時(shí)采集一次；7 月27 日采集2 次，間隔3 小時(shí)；直至搶險(xiǎn)救災(zāi)結(jié)束。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程。滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完后，利用RISCAN PRO軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理過程主要有：多站點(diǎn)云拼接、噪點(diǎn)處理、點(diǎn)云濾波、數(shù)據(jù)的提取輸出等。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。在實(shí)地進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，還需要對(duì)掃描設(shè)備進(jìn)行多視角、多站點(diǎn)的掃描，才能獲得完整的監(jiān)測區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中，將地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RISCAN PRO軟件中，將布設(shè)測站控制點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入時(shí)把測量坐標(biāo)和掃描站點(diǎn)坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，并注意坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換及儀器的高度。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)圖形確定北方向，然后進(jìn)行粗拼，根據(jù)不同測站點(diǎn)的相同特征點(diǎn)進(jìn)行粗拼，為了提高粗拼精度，一般選取拐角點(diǎn)、墻角點(diǎn)、標(biāo)語處等明顯特征點(diǎn)進(jìn)行拼接，粗拼接一般可達(dá)到厘米級(jí)精度。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波。點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的目的是裁剪掉與所需滑坡體表面無關(guān)的點(diǎn)云。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的過程中外界環(huán)境因素的影響、邊界阻塞、掃描目標(biāo)的反射性差異和多路徑條件下，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生離群點(diǎn)、孔洞以及噪點(diǎn)等。在點(diǎn)云中最常見的是離群點(diǎn)，指偏離其余觀測點(diǎn)而引起誤差的觀測值，主要表現(xiàn)為與鄰近區(qū)域有出入且不符合所處局部的幾何表面形態(tài)。點(diǎn)云粗差的存在會(huì)影響后續(xù)點(diǎn)云模型的建立和分析，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波是點(diǎn)云預(yù)處理中必不可少的步驟。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)去噪等預(yù)處理。對(duì)原始數(shù)據(jù)采用手動(dòng)編輯的方式去除明顯的噪點(diǎn)和孤點(diǎn)，手動(dòng)選取特定的掃描監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行處理，即通過框選的命令把需要去除噪點(diǎn)的區(qū)域顯示，通過旋轉(zhuǎn)或平移從各個(gè)角度觀看點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便對(duì)噪點(diǎn)數(shù)據(jù)的去除，高效的去除無關(guān)的噪點(diǎn)，得到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后采用點(diǎn)云濾波處理非地面點(diǎn)云，得到去除噪點(diǎn)后的滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖3 為點(diǎn)云濾波前后的對(duì)比圖。

圖3 點(diǎn)云濾波前后對(duì)比圖

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取。將滑坡前后不同時(shí)段掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用ICP 優(yōu)化算法統(tǒng)一拼接坐標(biāo)后，對(duì)不同時(shí)段掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，提取的滑坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映滑坡的地表面特征狀態(tài)。

三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以*.RSP 的格式儲(chǔ)存在RiSCAN PRO軟件相應(yīng)的文件下，并能夠?qū)С龆喾N數(shù)據(jù)文件格式，如：ASCII、XYZ、SVY、PTS、PTX、TXT 等，以及Auto CAD 的DXF 格式。最常用為TXT格式的點(diǎn)云本文數(shù)據(jù)文件，文本內(nèi)的每一行內(nèi)容都可以被作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體存貯在結(jié)構(gòu)體的數(shù)組中，通過讀取*.txt數(shù)據(jù)中離散的三維點(diǎn)云坐標(biāo)，導(dǎo)入三維建模軟件進(jìn)行三維模型重建。

3.3 建立滑坡模型。滑坡體點(diǎn)云仿真三維模型由點(diǎn)云生成的三維三角網(wǎng)來建立，其中在RiSCAN PRO軟件中進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理操作后，為了優(yōu)化滑坡模型的建模效果和精度，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為通用格式，在逆向工程軟件Geomagic Qualify 2013 中進(jìn)行建模處理。在Geomagic Qualify 2013 中導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)重建滑坡三角網(wǎng)模型。并且對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化，在軟件中進(jìn)行三角網(wǎng)格的檢查和優(yōu)化，刪除拓?fù)溴e(cuò)誤的三角面，填充因數(shù)據(jù)缺失產(chǎn)生或之前刪除三角面產(chǎn)生的孔洞。填充時(shí)對(duì)于較小的孔洞選擇依曲率匹配到周圍網(wǎng)格，對(duì)于直徑超過10cm 的孔洞采取不填充操作，在后續(xù)的形變比較中作為不比較區(qū)域。為了便于滑坡體變形分析工作，對(duì)于滑坡表面散落的三角網(wǎng)進(jìn)行簡化或刪除。

將前后兩期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立高精度數(shù)字高程模型，在同一坐標(biāo)系下，將前后兩期的DEM相減，可以高程變化得到整個(gè)滑坡監(jiān)測區(qū)域變化顯示。另外，通過RiSCAN PRO軟件導(dǎo)出滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，到Auto CAD中生成剖立面圖、曲線圖、三維變形曲面圖來反應(yīng)變形情況。如圖4 所示，為貴州水城滑坡體點(diǎn)云DEM模型。

圖4 貴州水城滑坡體DEM模型

4 滑坡體坡面分析

滑坡體的變形破壞及滑動(dòng)產(chǎn)生的原因是由多方面的因素共同作用的結(jié)果，需要針對(duì)滑坡體進(jìn)行監(jiān)測分析。根據(jù)前面對(duì)貴州省7·23 特大滑坡體分析，根據(jù)圖5（a）點(diǎn)云數(shù)據(jù)剖面圖現(xiàn)場所測得的滑坡的高程數(shù)據(jù)繪制如圖5（b）CAD滑坡體剖面圖。

圖5 滑坡體剖面圖

5 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在災(zāi)后滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用有著關(guān)鍵作用。三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)監(jiān)測人員難以到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)的缺陷。從外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理對(duì)多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和配準(zhǔn)等處理，然后通過對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行面狀變形的分析，證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在災(zāi)后滑坡體安全監(jiān)測變形的有效性和可靠性。