基于三維激光掃描的紅層軟巖變形及侵蝕量計(jì)算研究*

梁永平，楊 田，秦 雯，張江龍

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

紅層軟巖是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成的碎屑巖沉積地層，呈現(xiàn)出抗風(fēng)化能力弱、水敏感性強(qiáng)、巖體強(qiáng)度低等特性，其工程地質(zhì)性質(zhì)差，堆積區(qū)域在雨季容易造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，紅層軟巖滑坡約占我國西部地區(qū)各類地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的四分之一，在甘肅東部地區(qū)，三分之一左右的滑坡與紅層軟巖地質(zhì)有關(guān)[1]。及時(shí)獲取軟巖侵蝕的空間數(shù)據(jù)，研究其侵蝕過程和變化規(guī)律，對于準(zhǔn)確的掌握軟巖風(fēng)化與發(fā)育機(jī)理，保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)生產(chǎn)生活具有重要的意義。

紅層軟巖由于成因的多元性和侵蝕過程的多因素影響，使得形成的地貌形態(tài)復(fù)雜多變，且存在深溝陡坡和特有的掏蝕等現(xiàn)象[2]。有些還存在崩壁和狹窄縱橫的侵蝕溝道等難以通過傳統(tǒng)測量方法獲取地貌紋理變化的地形區(qū)域，這就對獲取紅層軟巖的侵蝕變化數(shù)據(jù)提出了更高的需求，還大大增加了對其開展定量監(jiān)測的難度。三維激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，相對于其他測量技術(shù)，三維激光掃描具有高分辨率、高精度、應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以通過非接觸方式快速獲取海量的地表高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且激光脈沖部分譜段對植被具有一定的穿透性，可部分消除植被對地形遮蔽的影響[3]。針對紅層軟巖的變形及侵蝕量，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行野外實(shí)測，將點(diǎn)云進(jìn)行拼接，在滿足拼接精度要求的情況下，通過對配準(zhǔn)后的多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多維分析，并根據(jù)點(diǎn)云構(gòu)建測區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)對軟巖地形細(xì)部特征的定量提取、侵蝕速率求算以及地形變化的監(jiān)測等提供了技術(shù)方向，為精細(xì)化研究紅層軟巖侵蝕提供了依據(jù)。

1 點(diǎn)云獲取及預(yù)處理

1.1 監(jiān)測方案制定

考慮到紅巖軟巖變形的特點(diǎn)以及地形地貌的多變性，在第一次數(shù)據(jù)采集前對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地考察，并根據(jù)地形條件設(shè)置了點(diǎn)云拼接控制靶點(diǎn)。以首次掃描數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比，進(jìn)行軟巖變形的分析研究[4]。具體監(jiān)測方案如圖1所示。

圖1 軟巖監(jiān)測流程

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

外業(yè)數(shù)據(jù)獲取采用FARO三維激光掃描儀進(jìn)行，儀器在標(biāo)準(zhǔn)測程測距中誤差小于2 mm，垂直分辨率0.009°，水平分辨率0.009°，光束發(fā)散角典型值0.011°。首先在測區(qū)周圍選取三個(gè)對角區(qū)域，在這三個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置靶點(diǎn)，靶點(diǎn)深入表面至紅層之下的巖石當(dāng)中，確保不會(huì)因自然和人為因素造成位移與偏差，保證每次掃描的靶點(diǎn)位置固定，作為點(diǎn)云拼接和后續(xù)變形監(jiān)測對比分析之用。利用GNSS測量部分控制點(diǎn)的坐標(biāo)，方便后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

因測區(qū)紅層地貌呈溝壑分支狀，所以選擇在溝壑頂部設(shè)站，確保每條細(xì)小的溝壑都能掃描到，如圖3所示。掃描過程總計(jì)用時(shí)5 h，掃描站數(shù)48站。

圖3 外業(yè)掃描

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

為使最終得到的三維模型能清楚反映軟巖的真實(shí)幾何特征，將掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入儀器自帶處理軟件SCENE，執(zhí)行了自動(dòng)拼接。

在掃描過程中，由于掃描儀本身原因以及掃描環(huán)境中的多種因素，會(huì)對掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)造成離散點(diǎn)、不相關(guān)點(diǎn)等噪聲，所以必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。在去噪處理中，先刪除可以直接判斷為噪聲的點(diǎn)云，諸如人的影像等點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，利用曲線檢查法，檢查出不在閾值范圍內(nèi)的點(diǎn)云，即噪聲，將其刪除。完成點(diǎn)云去噪后，在相鄰測站重疊區(qū)域中選擇3個(gè)以上的同名點(diǎn)，將48站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接[5-6]。

拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處于獨(dú)立坐標(biāo)系，利用事先量測得到的控制點(diǎn)坐標(biāo)，將此獨(dú)立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目坐標(biāo)系。經(jīng)處理后，掃描點(diǎn)云拼接整體誤差為0.001 7 m，點(diǎn)云在設(shè)置允許拼接誤差小于0.004 m范圍內(nèi)的可用率達(dá)到78.9%。拼接后利用GNSS已量測的控制點(diǎn)坐標(biāo)，完成了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

基于48站的掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云去噪、拼接及匹配、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系等操作，完成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成之后，刪除測區(qū)以外的點(diǎn)，將一些離散點(diǎn)、深色點(diǎn)等噪點(diǎn)進(jìn)行過濾，得到最貼近真實(shí)地形表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)出，如圖4所示。

圖4 消噪、過濾后紅巖層地表

2 軟巖沉降分析計(jì)算

2.1 點(diǎn)云封裝

利用Geomagic Studio分析軟件對第一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，如圖5所示。因軟巖形體復(fù)雜，為使最終得到的三維模型能清楚反映軟巖的幾何特征，防止特征信息喪失，對Geomagic Studio軟件處理進(jìn)行了一些設(shè)置，具體如下：采樣數(shù)據(jù)比例選100%；保持原始數(shù)據(jù)并刪除小組件；采樣大小按照300 m、公差為0.880 38 m進(jìn)行高精度自動(dòng)刪除偏差最佳擬合。預(yù)處理完畢后，對點(diǎn)云進(jìn)行封裝，得到紅層軟巖的三維模型[7]。

圖5 封裝后的模型

將封裝獲得的模型設(shè)為參考模型，將第二次掃描的點(diǎn)云設(shè)為測試點(diǎn)云。以首期數(shù)據(jù)為參考，將測試點(diǎn)云進(jìn)行對齊處理，在兩期數(shù)據(jù)對齊后，使用Geomagic 3D比較功能進(jìn)行分析比較，獲得兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對比分析色譜圖，如圖6所示。結(jié)果顯示，偏差最大值為0.02 m，臨界角為45°。

圖6 對比分析色譜圖

2.2 沉降變形分析

為研究重點(diǎn)位置的沉降變形，在3D比較分析模型中以前期設(shè)置的靶點(diǎn)位置創(chuàng)建注釋，如圖7所示，把比較重要的區(qū)域偏差數(shù)值單獨(dú)注釋出來，最后點(diǎn)擊創(chuàng)建報(bào)告，得到分析結(jié)果。利用二等水準(zhǔn)測量方法，對設(shè)置的注釋點(diǎn)位置進(jìn)行了沉降變形監(jiān)測[8]，三維模型沉降變形與幾何水準(zhǔn)沉降變形對比分析如表1所示。

圖7 重要區(qū)域注釋創(chuàng)建

表1 三維激光掃描沉降值與水準(zhǔn)測量沉降變形對比/m

經(jīng)對激光掃描變形值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用貝塞爾公式：

(1)

我國現(xiàn)階段對于三維激光掃描的規(guī)范還不健全，根據(jù)文獻(xiàn)[9]規(guī)定，“一等精度點(diǎn)云特征點(diǎn)間距中誤差5 mm，最大點(diǎn)間距3 mm”，而在一等精度中，對于點(diǎn)位相對于臨近控制點(diǎn)中誤差則沒有規(guī)定。按照取兩倍特征點(diǎn)間距中誤差作為點(diǎn)位相對于臨近控制點(diǎn)中誤差的慣例，一等精度的點(diǎn)位相對于臨近控制點(diǎn)中誤差需10 mm。若以幾何水準(zhǔn)測量結(jié)果作為控制值，則本次測量中獲取的沉降量值精度則完全滿足要求。

3 侵蝕量分析計(jì)算

3.1 侵蝕量及侵蝕速率計(jì)算

利用ArcGIS對兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立DEM，對兩期DEM進(jìn)行對比分析，如圖8所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在測區(qū)范圍內(nèi)，紅層軟巖由于侵蝕的存在，其體積損失為135.878 m3，分布于1 302.175 m2的范圍之內(nèi)；而在坡腳和谷底位置體積則增加了29.141 m3，占地面積為529.531 m2。如圖9所示，1位置侵蝕減少量最大；2、3位置是軟巖侵蝕堆積區(qū)域，且較集中；4位置則是典型的未發(fā)生侵蝕的區(qū)域。

圖8 兩期數(shù)據(jù)DEM對比

圖9 兩期數(shù)據(jù)切割填充量計(jì)算(嵌套底圖)

從侵蝕量的變化來看，在外因素作用下，巖體有一部分滑落堆積至坡腳，而約有106.737 m3的軟巖由于受到外力的作用已轉(zhuǎn)移到測區(qū)范圍之外，這反映出紅層軟巖在一定程度上存在遷移的現(xiàn)象，需要加以重點(diǎn)關(guān)注。

在計(jì)算獲得侵蝕量的基礎(chǔ)上，考慮到監(jiān)測間隔周期3.5個(gè)月，可得知測區(qū)范圍內(nèi)紅層軟巖侵蝕速率為33.922 m3/月，單位面積的軟巖侵蝕速率為0.026 m3/月。

3.2 坡向侵蝕分析

利用ArcGIS的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析功能，針對紅層軟巖的坡向侵蝕量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出在單位區(qū)域(每m2)內(nèi)侵蝕變化量，如圖10和表2所示。以南北向劃分，南向(含正南、東南、西南)軟巖單位平均減少量為0.228 87 m3，增加量為0.038 30 m3，東向(含正東、東南、東北)軟巖單位平均減少量為0.265 02 m3，增加量為0.029 36 m3。從數(shù)據(jù)可以看出，南北向的侵蝕速率接近，即可以判斷自然陽光的照射方向、時(shí)長等對侵蝕影響有限，但是侵蝕減少量與增加量相比卻存在數(shù)量級的差別，有可能存在泥石流或者流水?dāng)y帶走部分侵蝕巖土的情況，這需結(jié)合其他專業(yè)進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

圖10 三維坡向侵蝕分析

表2 不同坡向單位面積侵蝕變化量/m3

4 結(jié) 論

(1)針對軟巖侵蝕的變形監(jiān)測，三維激光掃描技術(shù)在較多方面占據(jù)優(yōu)勢。諸如具有較好的精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測方法監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置不足的缺陷，可獲得整體變形等，為全面掌握變形變化規(guī)律、保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)生產(chǎn)生活安全提供了有效的手段[10]。

(2)通過快速獲取高精度、高密度的點(diǎn)云，對比分析不同時(shí)期數(shù)據(jù)，可以較準(zhǔn)確地分析軟巖變形發(fā)展趨勢和區(qū)域分布規(guī)律，為相關(guān)應(yīng)用提供依據(jù)。

(3)以文獻(xiàn)[8]規(guī)定分析來看，以一等點(diǎn)云精度進(jìn)行軟巖變形監(jiān)測，在精度方面是完全滿足要求的。

(4)利用三維激光掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)并建立的DEM，具有較高的分辨率并能較真實(shí)的呈現(xiàn)區(qū)域地表形態(tài)。通過Geomagic、ArcGIS 等分析軟件進(jìn)行處理，結(jié)合定量獲取的坡度、坡向、溝道水系等地貌特征，可進(jìn)一步研究侵蝕的來源及其精細(xì)空間分布特征，進(jìn)而掌握變形規(guī)律，是侵蝕監(jiān)測較為理想的現(xiàn)代技術(shù)。