三維激光掃描技術(shù)在淤地壩溝岸安全監(jiān)測中的應(yīng)用

高鈺婷，楊世君，董彥麗，馬 濤，郭 鍵

[1.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020;2.中測瑞格測量技術(shù)(北京)有限公司，北京 100026]

淤地壩是黃土高原水土流失治理的重要措施之一。淤地壩安全運行和工程效益的持續(xù)發(fā)揮，是維護地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全、實現(xiàn)水土保持效益的重要保障。淤地壩附近溝道兩側(cè)坡面陡峻，其穩(wěn)定性關(guān)系到布設(shè)的臥管、溢洪道，以及附近農(nóng)田、道路等的安全，影響溝道行洪能力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，需要持續(xù)可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描技術(shù)能夠快速有效獲取高精度點云數(shù)據(jù)，具有工作效率高、成果多樣化等特點，尤其在難以到達的野外環(huán)境下，如不規(guī)則高程、測量視線受阻等狀況下，可從不同角度進行高精度測量，快速在設(shè)備上構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。近年來三維激光掃描技術(shù)越來越多地應(yīng)用于邊坡測量[1]、地形測繪[2]、壩體安全監(jiān)控[3]等工作中，在獲取淤地壩壩體沉降、水平位移及壩體表面侵蝕量等方面也有應(yīng)用，比如：張峰等[3]利用三維激光掃描技術(shù)對淤地壩壩體安全進行了監(jiān)測；孫有政等[4]利用徠卡三維激光掃描技術(shù)測算了淤地壩泥沙淤積量。本研究選擇黃土丘陵溝壑區(qū)兩座典型淤地壩溝岸為監(jiān)測對象，利用三維激光掃描技術(shù)對溝岸進行掃描，監(jiān)測溝道兩側(cè)是否有坍塌變形，臥管、溢洪道是否有堵塞，以期能為黃土高原地區(qū)淤地壩安全運行及溝岸安全穩(wěn)定提供技術(shù)支持。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描的工作過程是由掃描儀內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，再由反光鏡有序快速旋轉(zhuǎn)將激光發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖掃過被測物體，然后接收器接收反射回來的光束，同時時間計數(shù)器記錄下激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖到物體表面再返回的時間，以此計算相關(guān)的距離，一般采用連續(xù)波或者脈沖波兩種形式[5]。本研究選用的掃描儀是由中測瑞格測量技術(shù)(北京)有限公司提供的RIEGL VZ-2000i長距離三維激光掃描儀。該掃描儀采用了能與互聯(lián)網(wǎng)進行交互的處理框架，并且結(jié)合了RIEGL的LIDAR波形處理技術(shù)，可以在野外快速獲取高精度數(shù)據(jù)。RIEGL基于波形數(shù)字化、在線波形處理和多回波周期處理等獨特的UDAR技術(shù)，能夠進行高速、長距離、高精度的測量。

2 研究區(qū)概況

本研究選擇的兩座典型淤地壩，一座是張家新莊骨干壩，另一座是史渠溝1#骨干壩。張家新莊骨干壩位于甘肅省渭源縣，壩控流域面積4.61 km2，地理坐標為東經(jīng)104°13′45″、北緯35°11′48″；壩址處溝道呈U形，溝深28 m，主溝長2.5 km，溝道比降2.47%，溝底寬22 m；壩址處溝道完整，溝道上部為黃土，下部及溝底為紅砂巖，左右岸坡完整，坡度較緩，無地下水滲出。該壩原工程建于2008年，按照20年一遇洪水標準設(shè)計，200年一遇洪水標準校核，工程設(shè)計淤積年限20年，設(shè)計總庫容74.07萬m3，淤地面積5.10 hm2，采用土壩和放水建筑物(涵臥管)兩大件布設(shè)形式，土壩為黃土均質(zhì)壩，采用機械碾壓的方法施工，放水建筑物采用涵臥管形式，臥管總高度18.60 m。2013年“7·22”地震造成骨干壩壩體受損，影響壩體安全，2014年對病險淤地壩進行加固，并在壩體左岸布設(shè)溢洪道。

史渠溝1#骨干壩位于甘肅省莊浪縣史渠溝流域上游，壩控流域面積4.22 km2，地理坐標為東經(jīng)106°05′50″、北緯35°10′05″；主溝長2.15 km，溝道平均比降2.9%；溝岸為黃土，厚20～45 m，溝道底部有紅膠土出露，無滑坡、裂縫或地下水滲出現(xiàn)象；設(shè)計壩高19 m，總庫容51.2萬m3，攔泥壩高14.6 m，攔泥庫容22.7萬m3，防汛壩高15.8 m，壩頂長102 m；放水工程采用臺階式矩形臥管，下接臥管消力池，外聯(lián)涵洞、尾水渠和挑坎，采用20%的加大流量設(shè)計。

3 數(shù)據(jù)獲取

3.1 外業(yè)掃描

本研究外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時間分別為2020年1月和9月底，采取在溝道內(nèi)沿中心線架設(shè)地面三維掃描儀向前推進式掃描方式獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)測區(qū)實際地形，現(xiàn)場采用后差分RTK以CGCS-2000坐標系進行臨時控制點的布設(shè)和采集，后續(xù)三維激光掃描通過精掃控制點的方式進行坐標傳遞，最終在點云后處理軟件中完成測區(qū)整體的控制測量。

淤地壩多位于黃土丘陵區(qū)，每站掃描都要考慮周圍的地形變化。本研究使用的激光發(fā)射頻率為600 kHz，有效測量距離為600 m。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，單站300 m距離處點密度達0.2 m/m2，布站平均間距為60～70 m。使用專業(yè)單反相機進行影像獲取，使彩色點云更貼近真實彩色信息。現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)掃描后，檢查數(shù)據(jù)重疊率、完整性、覆蓋范圍，確認數(shù)據(jù)是否覆蓋完整測區(qū)，不把任何數(shù)據(jù)隱患帶入到后期數(shù)據(jù)處理流程中。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

為方便數(shù)據(jù)加載，掃描數(shù)據(jù)分測站導(dǎo)出單個文件。利用RIEGL VZ-2000i掃描儀配套的RiSCAN PRO軟件進行地面數(shù)據(jù)預(yù)處理。為保證后期成果數(shù)據(jù)質(zhì)量，對地面掃描點云預(yù)處理要注意以下幾點：①為保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理精度及效率，需將多站點數(shù)據(jù)精拼，精度控制在1 cm以內(nèi)。②本研究使用CGCS-2000投影坐標系，由于兩個測區(qū)整體范圍較大，存在投影的變形誤差，因此在軟件處理過程中，在坐標系環(huán)節(jié)需要計算因投影產(chǎn)生的誤差，從而進一步提升數(shù)據(jù)精度。③點云數(shù)據(jù)支持多屬性導(dǎo)出。點云數(shù)據(jù)成果常規(guī)為X、Y、Z空間三維坐標，為便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析，點云數(shù)據(jù)成果保留的信息越全面越好。④根據(jù)控制點平差計算數(shù)據(jù)。在進行坐標系轉(zhuǎn)換的同時，運用RiSCAN PRO軟件自帶的控制點平差功能在數(shù)據(jù)精拼的基礎(chǔ)上進一步根據(jù)控制點進行數(shù)據(jù)平差，以提高數(shù)據(jù)測站間的內(nèi)符合精度。

通過創(chuàng)建工程，導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)，點云去噪后進行數(shù)據(jù)自動拼接和數(shù)據(jù)精拼，結(jié)合控制點數(shù)據(jù)進行坐標系轉(zhuǎn)換和平差，最終輸出點云數(shù)據(jù)。對點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模，利用VOXEL算法將離散點根據(jù)設(shè)定數(shù)值擬合成一定厚度的平面進行變形分析，建立三角網(wǎng)模型計算變形量。具體流程見圖1。

圖1 地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)果分析

4.1 張家新莊骨干壩溝岸變化

以VOXEL算法提取平面對張家新莊骨干壩東、西溝岸立面0.3 m閾值偏差效果圖顯示，溝岸東側(cè)和西側(cè)立面對比有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)大部分區(qū)域顯示顏色一致，說明溝岸兩側(cè)無明顯滑坡變化，溝岸基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩體附近臥管和溢洪道等工程完整，沒有明顯毀壞跡象(圖2、3)。

圖2 張家新莊骨干壩溝岸西側(cè)立面0.3 m閾值偏差效果

圖3 張家新莊骨干壩溝岸東側(cè)立面0.3 m閾值偏差效果

在壩體背面東側(cè)部位顯示有明顯顏色變化，通過建立三角網(wǎng)模型(圖4)進行變化量統(tǒng)計，挖方量約為12 m3，分析是受連接壩體的道路施工影響，人為產(chǎn)生的挖方量。

圖4 張家新莊骨干壩坍塌區(qū)三角網(wǎng)模型

4.2 史渠溝1#骨干壩溝岸變化

史渠溝1#骨干壩東、西溝岸立面變形分析結(jié)果顯示，在溝岸立面對比有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)大部分區(qū)域變形量都在±3 cm以內(nèi)，且無明顯的大塊滑坡現(xiàn)象發(fā)生，壩體附近臥管和溢洪道等工程完整，沒有明顯毀壞跡象(圖5、6)。

圖5 史渠溝1#骨干壩溝岸西側(cè)立面0.3 m閾值偏差效果

圖6 史渠溝1#骨干壩溝岸東側(cè)立面0.3 m閾值偏差效果

通過對比數(shù)據(jù)，在壩體東側(cè)溝岸靠近溢洪道附近有3處土體坍塌，監(jiān)測顯示有顏色變化。通過構(gòu)建三角網(wǎng)模型(圖7、8、9)提取變化量，結(jié)果顯示：1號坍塌區(qū)流失量約為4.7 m3，積累量約為3.3 m3；2號坍塌區(qū)流失量約為8.6 m3，積累量約為4.8 m3；3號坍塌區(qū)流失量約為2.4 m3，積累量為0。現(xiàn)場查看結(jié)果顯示，該區(qū)坡度較陡，受降雨、農(nóng)田耕種擾動等因素影響，導(dǎo)致發(fā)生滑坡。

圖7 史渠溝1號坍塌區(qū)三角網(wǎng)模型

5 結(jié) 語

通過對張家新莊骨干壩和史渠溝1#骨干壩溝道兩側(cè)兩期數(shù)據(jù)對比，兩座淤地壩溝岸無明顯滑坡現(xiàn)象，壩體附近臥管和溢洪道等工程完整，沒有明顯毀壞跡象。張家新莊骨干壩壩體背面東側(cè)部位由于開挖施工道路而產(chǎn)生約12 m3的挖方量；史渠溝1#骨干壩壩體東側(cè)溝岸有3處較大坍塌，坍塌量分別約為4.7、8.6、2.4 m3。研究結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩溝岸穩(wěn)定性監(jiān)測可以全面準確反映被測目標信息，提高野外監(jiān)測人員的工作效率，為淤地壩安全運行、監(jiān)管及除險加固等提供新的技術(shù)思路，在水土流失監(jiān)測領(lǐng)域具有推廣應(yīng)用前景。

圖8 史渠溝2號坍塌區(qū)三角網(wǎng)模型

圖9 史渠溝3號坍塌區(qū)三角網(wǎng)模型