基于地面三維激光掃描的三峽庫區(qū)危巖體監(jiān)測

褚宏亮，邢顧蓮，李昆仲，王國利，段奇三

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院（自然資源部地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心），北京 100081；2.西藏自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西藏 拉薩 850000；3.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；4.北京地景科技有限公司，北京 101400）

長江三峽庫區(qū)是我國地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)[1]，危巖體崩滑可能造成的涌浪災(zāi)害嚴重威脅著長江河道的航運安全，是崩塌、滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的重點。目前，崩塌、滑坡災(zāi)害監(jiān)測可分為“點”式（裂縫伸縮計、分布光纖法、GPS、全站儀）和“面”式（GBSAR、InSAR 技術(shù)、激光掃描測量）兩類，而地面三維激光掃描（terrestrial laser scanning，TLS）作為“面”式監(jiān)測手段具有反應(yīng)迅速、變化敏感、自動化等特點，越來越多地被應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，并取得了良好的效果[2?5]。Hobbs等[6]將TLS技術(shù)應(yīng)用于海岸侵蝕崩塌監(jiān)測，驗證了該技術(shù)在崩塌監(jiān)測中的可行性；董秀軍等[7]將TLS技術(shù)應(yīng)用于無植被覆蓋的高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查，發(fā)掘了該技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用前景；Abellan等[8]將該技術(shù)應(yīng)用于西班牙某巖體崩塌的監(jiān)測中，得到了毫米級程度的形變值，驗證了高精度監(jiān)測的可行性；徐進軍等[2]應(yīng)用TLS技術(shù)在室內(nèi)外開展滑坡形變監(jiān)測驗證，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能達到很好的精度，在滑坡監(jiān)測方面應(yīng)用前景廣闊；謝謨文等[9]對TLS監(jiān)測方法、監(jiān)測精度、濾波處理方法等進行分析，并探討了從無植被巖體的變形監(jiān)測到有較少植被的滑坡體的變形監(jiān)測的可能性，擴展了TLS技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的適用性。裴東東等[10]探索了利用車載激光掃描技術(shù)進行滑坡監(jiān)測的可行性。

TLS技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用逐漸興起，但針對庫區(qū)高陡危巖崩塌災(zāi)害監(jiān)測的應(yīng)用較少。本文以三峽庫區(qū)巫山箭穿洞危巖體為例，對其危巖體表面進行3期重復(fù)掃描，以第1期數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù)，利用最近點迭代(iterative closest point，ICP)算法配準，通過擬合三次曲面及內(nèi)插數(shù)字表面模型來分析形變量，探索了該技術(shù)用于庫區(qū)高陡危巖體三維監(jiān)測形變的可能性，為基于該技術(shù)的隱患特征突出的滑坡和崩塌形變監(jiān)測提供了思路。

1 研究區(qū)概況

重慶巫山箭穿洞危巖體位于長江左岸（圖1），地處神女峰背斜核部。調(diào)查人員早在2012年就發(fā)現(xiàn)箭穿洞危巖下方基座已經(jīng)被壓得支離破碎，嚴重威脅三峽航道和沿岸人民生命財產(chǎn)安全[11]。箭穿洞危巖體后緣高程為278.0～305.0 m，基座高程為155.0 m，高差為123.0～150.0 m，平均高差135.0 m。危巖平均橫寬50.0 m，平均長55.0 m，體積約35.75×104m3。

經(jīng)實地勘查，箭穿洞危巖體北西、南東兩側(cè)和北東后緣邊界裂縫清晰，已全部貫通，僅靠底部泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r支撐。2012年10月—2014年6月，重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院對危巖體進行了沉降及位移監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)2年間危巖體最大沉降量達20.0 mm，監(jiān)測點水平位移累計最大達30.9 mm[11]。為掌握危巖體在不同時期的表面絕對幾何形態(tài)變化情況，2017—2018年，本文對研究區(qū)開展了3期TLS形變監(jiān)測，并分析庫區(qū)周期性蓄水對危巖體形變的影響。

2 三維激光危巖體監(jiān)測方法

目前用于危巖體三維激光掃描監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)主要包含兩個方面：一是對齊基準方法，二是變化對比分析方法。對齊基準方法直接關(guān)系到整體變化趨勢分析的精度，變化對比分析方法則對局部變化精度有重要影響。

2.1 數(shù)據(jù)基準

在數(shù)據(jù)基準選擇方面，一種方法是在危巖體周邊穩(wěn)定區(qū)域建立控制網(wǎng)，即GPS控制網(wǎng)或穩(wěn)定局部坐標系控制網(wǎng)[12]。在信號穩(wěn)定的開闊地，GPS作為基準建立監(jiān)測控制網(wǎng)能穩(wěn)定實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域基準對齊，然而一般危巖區(qū)域都是野外區(qū)域，有山體或者水體影響，GPS信號受干擾比較強烈，難以建立穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)[2?3]；另一類方法則是通過地物對齊，找到其相對穩(wěn)定區(qū)域作為基準，采用多點對齊模式，監(jiān)測其相對變化[3]。

由于箭穿洞現(xiàn)場GPS信號受山體及江面影響嚴重，GPS數(shù)據(jù)存在現(xiàn)場采集困難、解算精度差等問題，工作中采用坐標基準為局部坐標系。具體坐標系以掃描測站為中心，天頂豎直向上為Z方向，穩(wěn)定區(qū)域與危巖區(qū)域沿垂直江面進深約250 m，高差約400 m，具體如圖2所示。

圖2 監(jiān)測基準設(shè)定Fig.2 Setting of the monitoring datum

以初次掃描危巖體數(shù)據(jù)建立的坐標系為基準，后期數(shù)據(jù)主要以初次掃描周邊穩(wěn)定巖體區(qū)域巖體數(shù)據(jù)為參照，對穩(wěn)定區(qū)域點云ICP配準。

2.2 點云變化對比分析

在點云數(shù)據(jù)變化分析方面，目前研究方法有最近點法、點到模型的對比法。在危巖計算中，由于掃描位置及掃描密度無法做到完全一致，用點到點方法無法反映真實巖體變化[13]。點到面的變化需要計算準確的局部信息。在激光點云數(shù)據(jù)三維變化分析方法方面，徐進軍等[2]采用一種重心法計算不同分割區(qū)域的重心，并對重心變化進行對比；該方法需要對目標邊界進行交互選擇確定，在實際操作有難度且精度難以保證。方良斌等[14]提出一種移動平均法，通過沿節(jié)理方向移動擬合局部平面計算危巖滑坡偏移量。這些方法都能通過法向和局部表面關(guān)系計算危巖表面相對變化。

本文針對箭穿洞進行三維激光掃描，限于觀測條件及視角等因素，觀測實際點云密度較低，屬于稀疏點云。針對數(shù)據(jù)稀疏目標點云變化，采用點到面分析方法可以準確表達巖石表面的變化狀況。分析危巖體點云變化時，遍歷待分析點云，搜索以當(dāng)前點P為中心，半徑為R的空間球所包含的基準數(shù)據(jù)的TIN面片集進行變形分析（圖3）。設(shè)定當(dāng)前點坐標為XP，當(dāng)前三角形面片中心為Xi，法向為Ni，則當(dāng)前點的三維偏差（Vi）的計算公式如下：

圖3 點-面危巖體激光點云變化分析Fig.3 Analysis of laser point cloud changes of dangerous rock mass with the point-face method

為了減少邊界或者噪聲對分析結(jié)果的影響，需要對變化角度進行限定（圖3）：假設(shè)θ為當(dāng)前點P與當(dāng)前三角形面片中心Ci連線NP與面片法向Ni的夾角，則θ計算公式如下：

角度閾值設(shè)為θth，當(dāng)θ>θth后，認為點超出變化分析范圍，應(yīng)避免將邊界噪聲點及植被等目標點加入變化分析，以提高結(jié)果可靠性。

3 箭穿洞危巖體監(jiān)測實驗

3.1 危巖體數(shù)據(jù)采集

箭穿洞區(qū)域現(xiàn)場江面寬度約700 m左右，兩側(cè)崖壁陡峭，采集條件惡劣，在江對面有局部區(qū)域可布設(shè)掃描站。目標周邊受山體及庫區(qū)水域影響，GPS信號差，現(xiàn)場三維掃描采用局部坐標基準。依據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，采用箭穿洞后方穩(wěn)定巖體作為基準（圖2）。依據(jù)掃描距離（500～1 000 m）結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，采用Riegl VZ1000三維激光掃描儀獲取三維掃描數(shù)據(jù)，儀器主要技術(shù)指標見表1。

表1 Riegl VZ-1000激光掃描儀主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of Riegl VZ-1000

為保證數(shù)據(jù)的拼接穩(wěn)定，在箭穿洞區(qū)域布置高反光片標志，用于多期點云數(shù)據(jù)初始定向。圖4為第1期（2017年9月1日）三維激光掃描數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場及激光反射片標志。

圖4 箭穿洞掃描測站及反射片F(xiàn)ig.4 Jianchuandong scanning station and reflector

使用激光掃描儀掃描時，設(shè)置掃描分辨率為10 mm@100 m，結(jié)合現(xiàn)場掃描距離及角度等因素，實測巖體表面平均點間距約為0.08 m，單測站掃描耗時約3 h。第1期掃描結(jié)果見圖5。

圖5 箭穿洞掃描點云Fig.5 Point cloud of Jianchuandong

采集周期方面，為了觀測三峽庫區(qū)放水與蓄水對危巖體的影響，在數(shù)據(jù)采集時段上，初始采集時間選擇在9月初，水位線一般達到最低，蓄水期則選擇觀測時段在1月份。具體3期數(shù)據(jù)采集時間與結(jié)果見圖6。

圖6 箭穿洞3期數(shù)據(jù)采集結(jié)果（單期平均點距為0.08 m）Fig.6 Three periods point cloud of Jianchuandong (average point distance of 0.08 m)

3期數(shù)據(jù)采集時水位相比，第2期比第1期高約21.0 m，第3期比第1期高約1.0 m。

3.2 數(shù)據(jù)點云預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包含點云噪聲濾除、數(shù)據(jù)配準兩部分內(nèi)容。點云數(shù)據(jù)中包含遠距離不同入射角度引起的數(shù)據(jù)噪聲及植被影響，由于不同時段植被存在差異，這些數(shù)據(jù)對點云的配準及建模、對比分析等結(jié)果都有影響。植被反射強度相對山體反射強度偏低，依據(jù)反射強度信息統(tǒng)計點區(qū)間如圖7（a）所示。本文利用激光點云反射強度閾值（Ith）進行植被濾除，對圖7（b）中的原始危巖體點云進行植被濾除，結(jié)果如圖7（c）所示。

圖7 點云植被濾除（Ith= 0.29，測區(qū)點數(shù)202萬，植被點93萬）Fig.7 Filtering of vegetation point cloud (Ith = 0.29,test point cloud is 2.02 million,vegetation point is 0.93 million)

由于不同采集時段的環(huán)境差異，植被與巖體強度閾值Ith存在變化。在算法濾除基礎(chǔ)上，通過交互刪除殘留植被點，得到危巖體點云。

點云數(shù)據(jù)配準主要以第1期(2017年9月)為基準，將后面2期通過反光片進行初始對齊，在此基礎(chǔ)上，以選定穩(wěn)定區(qū)點云為基準進行最近點迭代配準（ICP），配準結(jié)果見圖8。

圖8 點云數(shù)據(jù)配準基準及誤差分布（計算區(qū)間：±0.1 m；1-2配準:平均偏差0.063 m，標準偏差±0.024 m；1-3配準:平均偏差:0.036，標準偏差:±0.028 m）Fig.8 Registration reference and error distribution of point cloud data (Calculation region of ± 0.1m.Registration 1-2 with average deviation of 0.063 m,standard deviation of ± 0.024 m.Registration 1-3 with average deviation of 0.036 m,and standard deviation of ± 0.028 m)

配準后對整體數(shù)據(jù)進行三維比對分析，可知參與迭代配準的點云配準標準差均優(yōu)于0.03 m，與相應(yīng)范圍的點云建模精度相符，配準結(jié)果實現(xiàn)了各期數(shù)據(jù)基準對齊。為檢核3期點云與基準對齊情況，將3期點云疊加剖切結(jié)果，得到圖9。

由圖9可知三期數(shù)據(jù)水平斷面數(shù)據(jù)無分層現(xiàn)象，各期點云底部水位線對齊，點云在水平及豎直方向?qū)崿F(xiàn)了基準對齊。

圖9 三期點云數(shù)據(jù)疊加分析Fig.9 Overlay analysis for 3 periods of point cloud

3.3 數(shù)據(jù)精度分析

點云數(shù)據(jù)及其處理精度對危巖體變化分析非常重要，決定了本文所用分析方法的可靠性。數(shù)據(jù)精度主要包含儀器精度、數(shù)據(jù)測量精度及數(shù)據(jù)配準精度。

在儀器精度方面，本文選用Riegl VZ1000掃描儀，設(shè)備在100.0 m處，設(shè)備廠商標稱點位重復(fù)測量精度指標為±0.005 m。徐壽志等[15]對該設(shè)備的標稱點位測量精度進行了驗證，結(jié)果滿足標稱精度（測試最大距離192.0 m）。掃描儀點位精度與掃描目標反射率、掃描密度及掃描距離也存在密切關(guān)系[16]，本文中巖體反射率一般位于0.6～0.8區(qū)間，反射條件較好（圖7中山體反射率明顯高于植被）。一般遠程掃描儀（800～1 000 m）的典型精度約為±0.015 m[3]，Mat Zam等[16]以GLS2000掃描儀為例驗證了高密度坡體掃描點云（掃描距離約200.0 m）精度為±0.013 m；Oppikofer 等[17]采用點到擬合平面方法評定滑坡監(jiān)測掃描點精度，400.0 m處掃描點位中誤差約為±0.0165 m。以第1期箭穿洞巖體構(gòu)建TIN模型局部平面為基準評定點云精度，結(jié)果如圖10所示。點位平均正偏差為﹢0.012 m，負偏差為?0.013 m，標準偏差±0.017 m，可知點云精度與上述文獻中的精度一致（本文點云掃描距離約500 ～ 700 m），可分析超過±0.017 m區(qū)間的巖體變化。

圖10 點云精度分析結(jié)果Fig.10 Accuracy analysis of point cloud

在配準方面，ICP配準方法誤差主要取決于兩點因素：掃描點間距及掃描測站差異。本文掃描監(jiān)測位置相對固定，每期監(jiān)測掃描點設(shè)置密度都相同（約0.08 m），因此不同時期數(shù)據(jù)配準中誤差（圖8中，1-2：±0.024 m,1-3: ±0.028 m）包含了點云誤差及兩期對象變化在內(nèi)，與文獻[17]中序列觀測點云配準誤差（±0.027 m）接近。

3.4 箭穿洞危巖變化分析

由于箭穿洞危巖體掃描距離遠，點云密度稀，本文選用點到面的方式計算危巖體變化。具體方法是：將3期點云坐標配準到同一基準坐標系，選擇第1期（2017年9月）箭穿洞點云數(shù)據(jù)，截取危巖體部分處理并構(gòu)建TIN模型（圖11）。

圖11 箭穿洞危巖構(gòu)建基準TIN模型（第1期，建網(wǎng)步長80 mm，共180萬面片）Fig.11 Reference TIN model of dangerous rock mass of Jianchuandong (Period 1,step of TIN model of 80 mm,1.8 million pieces in total)

以上述TIN模型為基準，將其余2期相應(yīng)危巖體點云進行三維偏差計算，分析危巖不同時段和條件下的變化，包含整體變化分析與局部變化分析。

（1）整體變形分析

本文選擇偏差分析空間球半徑（R）為0.08 m（平均點距），角度閾值（θ）為 45°，將第2與第3期進行偏差計算，結(jié)果見圖12。

圖12 危巖體變化分析統(tǒng)計Fig.12 Change analysis and statistics of dangerous rock mass

由圖12可知：兩期對比結(jié)果偏差整體呈正態(tài)分布，局部位置存在偏差。其中2-1期對比，平均正負偏差為+0.029/?0.032 m，標準偏差為±0.039 m；3-1期對比，平均正負偏差為+0.030/?0.039 m，標準偏差為± 0.042 m。相比2-1，3-1（圖12）相比2017年有整體擴張趨勢，左側(cè)危巖體整體相對變化在?0.04～?0.06 m范圍內(nèi)。

針對危巖體變形分析，利用鄰域均值的方法能有效減弱單點噪聲影響，Abellan等[18]采用基于最近點鄰域的方法監(jiān)測滑坡變化，有效降低噪聲點影響，凸顯了區(qū)域變化。為了減弱噪聲對局部變化的影響，本文以采樣點區(qū)間半徑（R）為0.3 m的范圍內(nèi)的變化均值作為采樣點測量結(jié)果（圖12、圖13），由典型區(qū)域的采樣結(jié)果可知危巖體局部存在變化。

圖13 危巖變化典型值測量結(jié)果（采樣半徑為0.3 m）Fig.13 Measurements of typical values of dangerous rock change (R= 0.3 m)

（2）局部變化分析

由于整體變化較為復(fù)雜，為了避免周邊區(qū)域干擾，選擇圖12中部虛線框內(nèi)部分進行局部分析，結(jié)果如圖14所示。

圖14 局部區(qū)域變化分析（分析區(qū)間±0.08 m）Fig.14 Local area change analysis (analysis interval of ±0.08 m)

對圖14中5個位置進行典型值測量，測量半徑（R）為1.0 m，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：蓄水期（2-1）與放水期（3-1）相比，位置1、2相比巖體基本無變化，位置3、4、5三處則存在明顯的“凹陷”變化趨勢，變化約在?0.02～?0.04 m。為了明確蓄水對危巖體影響，壓縮統(tǒng)計區(qū)間，將變化區(qū)間設(shè)置為?0.02～0.06 m區(qū)間，結(jié)果如圖15所示。

設(shè)置測量半徑（R）為0.3 m，針對圖15中10處典型位置進行量測，結(jié)果如圖16所示。

圖15 危巖體變化壓縮統(tǒng)計區(qū)間結(jié)果Fig.15 Compression statistical interval results of dangerous rock mass change

圖16 危巖體局部典型位置變化分析Fig.16 Analysis of local typical position changes of dangerous rock mass

針對圖16中典型變化值可知，位置A001—A003、A007、A009、A010在2018年2期觀測中較為穩(wěn)定。而局部位置A004、A005、A006、A008位置巖體則存在明顯的凹陷變化（2-3對比），變化大約在?0.03～?0.07 m。

綜合上述3期觀測數(shù)據(jù)對比情況，箭穿洞危巖體2018年相對2017年左側(cè)巖體背江方向產(chǎn)生約0.05 m的位移，在庫區(qū)蓄水期（2-1）箭穿洞危巖體基座受江水壓力，導(dǎo)致上部危巖體向北傾斜，放水期（3-1）則危巖體產(chǎn)生向江方向位移趨勢，說明庫區(qū)蓄水期對危巖體局部區(qū)域有較大影響。

4 結(jié)論

（1）地面激光掃描技術(shù)可以準確、全面獲取箭穿洞危巖體表面點云，并可實現(xiàn)危巖體厘米級形變監(jiān)測。不同期點云對比精度主要取決于對其基準及分析方法兩方面：在對齊基準方面，當(dāng)野外衛(wèi)星定位信號差（山體、水體等干擾）時，宜采用觀測目標周邊其它穩(wěn)定目標；在變形對比分析方面，為凸顯危巖體變化，需要對目標進行分片及植被過濾等處理。另一方面，由于測程較遠，點云密度較低，變化分析中采用點到模型局部表面分析更準確，局部區(qū)域變化為避免點云噪聲影響，宜采用局部區(qū)域變化均值分析。

（2）箭穿洞危巖體在觀測時段內(nèi)左側(cè)巖體帶（西側(cè)）有背江方向位移；巖體在蓄水時段存在整體背江方向產(chǎn)生位移，變化在?0.03～?0.07 m間。限于觀測頻率，本文只對比了庫區(qū)高水位及低水位時段數(shù)據(jù)，要分析庫區(qū)蓄水時段危巖體更精細的變化情況，需要適當(dāng)增加觀測頻率。

受現(xiàn)場觀測條件限制及植被干擾，對于危巖體裂縫等更精細變化監(jiān)測，可探索多源數(shù)據(jù)支持下的危巖監(jiān)測分析，以有效彌補單一數(shù)據(jù)監(jiān)測不全面的缺陷。