地面三維激光掃描點云應用于滑坡監測中基準統一研究*

趙立都，張雙成，向中富，馬下平，周 銀，胡 川，馮紅剛，陳茂霖，蔣俊秋

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2. 長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安，710054；3. 西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；4.中冶建工集團有限公司，重慶 400083)

我國地質災害種類繁多，其中滑坡災害作為主要的自然災害種類，威脅著山區居民的生命和財產安全，滑坡形變監測是預防滑坡災害最有效的方法[1-5]。利用傳統的測繪儀器(如水準儀、全站儀、GNSS等)對滑坡體地表進行變化檢測，工作量大，僅能監測單點形變，數據獲得的完整性受地形條件制約，無法對突發性崩滑災害進行有效監測。

地面三維激光掃描技術(Terrestrial Laser Scanning，TLS)可以獲取真實場景下高精度和高密度的激光點云數據，具有全自動和非接觸等諸多優勢，實現了從點測量向面測量的跨越。利用TLS對滑坡變形體進行監測時，需要采集多期滑坡點云，通過比較點云的空間位置確定滑坡變形量。但點云數據具有其特殊性，每一期點云基于獨立坐標系，多期點云疊差分析時基準不統一，導致滑坡體變形檢測精度低、結果不可靠。目前高精度變形監測常采用球形標靶，球形標靶精度高、易于攜帶，但是存在價格昂貴、制造維護精度要求高等缺點，且因為激光反射角過大而引起邊緣漂移。球形標靶見圖1，球形標靶點云見圖2，由于邊緣漂移集中遠離掃描一側，即它不是均勻分布的隨機噪音，這將引起球心坐標產生不可忽略的計算誤差。為了克服球形標靶的缺點，本文開發了一種三棱錐標靶，可通過三個相互不平行的面實現多期點云基準統一。針對現場通視條件差、交通不便的情況，本文提出基于全站儀站點后視定向的數據采集與配準方案。

圖1 球形標靶

圖2 球形標靶點云

郭晨等人利用獲取的機載激光雷達技術(Light Detection and Ranging，LiDAR)點云數據，結合天空視域因子的數字高程模型可視化方法，開展了地質災害識別研究工作，并通過現場實地調查驗證了機載 LiDAR 識別結果的可靠性[6]。ABELLAN 等人運用地面激光掃描技術對西班牙某危巖體進行監測，探討了具有毫米級高精度監測的可行性[7]。KAYEN 等人采用三維激光掃描技術對日本新瀉縣中越地震中誘發的接近400個大型滑坡進行監測，并大大提高了震后災害的評估效率[8]。劉衛南等人將點云密度作為滑坡表面變形的表征，提出了基于點云密度特征的滑坡位移監測方法，識別出了邊坡變動區域，直觀地反映了滑坡表面變形[9]。楊敏等人研究點云數據的配準精度問題，開展了復雜帶狀地形條件下不同掃描方案所獲取點云數據的配準精度對比分析[10]。謝謨文[11]、陳金磊[12]、薛強[13]等人探討了將TLS應用于大型、有部分植被覆蓋的滑坡監測的可能性，研究了基于TLS技術的滑坡表面變形監測理論方法。

綜上所述，目前將 TLS 技術應用于滑坡體變化監測尚處在探索階段，對其進行點云數據采集模式與基準統一研究較少。鑒于此，本文提出基于固定三棱錐標靶的點云基準統一理論與方法和基于全站儀站點后視定向的點云基準統一理論與方法，以甘肅省臨夏回族自治州癿藏鎮3號滑坡為研究對象，采集2021年2月、2021年5月兩期點云數據，驗證本文所提方法的精度和可靠性。本文理論方法為滑坡災害精準評估與預警提供理論支撐，對于地質災害防災減災具有重要意義。

1 多期點云數據基準統一理論

1.1 點云基本概念

掃描數據通常以三維坐標(x，y，z)來表示掃描點的位置信息，海量的密集點稱之為點云。掃描儀坐標系如圖3所示，設D為目標點至掃描儀之間的距離，θ和α分別為激光點豎直和水平角度，激光點的位置可以用極坐標表示：

(1)

圖3 掃描儀坐標系

1.2 基于永久三棱錐標靶的多期點云基準統一

(2)

(1)建立兩個點集的同名點對：

(3)

(2)通過最小化平方距離計算新的旋轉矩陣和平移向量：

(4)

ICP算法迭代計算結束的條件是配準誤差足夠小或者迭代次數達到最大迭代次數，則算法終止，否則繼續進行迭代。

1.3 基于全站儀后視定向的多期點云基準統一

該模式下的點云基準統一就是將點云坐標轉換到全站儀確定的獨立坐標系下的過程，采用布爾沙模型坐標轉換。根據空間直角坐標轉換的布爾沙模型，任一個控制點在點云空間直角坐標系1中的坐標通過3個平移參數ΔX0、ΔY0、ΔZ0，3個旋轉參數ωx，ωy，ωz和1個尺度比參數m可轉換為全站儀空間直角坐標系2中的坐標，即有：

(5)

2 基于地面三維激光掃描的滑坡點云數據獲取與處理

2.1 研究區域

癿藏鎮3號滑坡位于甘肅省積石山縣癿藏鎮以南拉沙溝村黃土滑坡上，地理坐標：35°35′23″E， 102°57′12″N。滑坡體主要地層為全新統殘坡積粉質粘土，滑床主要地層為中下更新統河湖相褐紅色粉質粘土。滑體中部寬60～100 m，軸長80～130 m，面積約25 000 m2，厚度3～8 m，體積約15×104m3，屬中淺層中小型滑坡群。滑坡后壁高0.2～0.4 m，自然坡度15°，主滑方向85°。滑坡群前緣坡體僅表層1～3 m溜塌流泥為主破壞，下部土體較穩定，后緣呈圈椅型尖狀及平緩圓弧狀，屬于牽引式粘性土滑坡。滑坡全貌見圖4，3號滑坡主要病害見圖 5。圖5b為寬10 cm裂縫局部圖，圖5c為滑坡形成的路面垂直方向0.6 m的錯臺位移局部圖，圖5d為滑坡形成的道路裂縫局部圖。

圖4 癿藏鎮3號滑坡滑坡全貌

圖5 癿藏鎮3號滑坡病害

2.2 數據采集

本文使用Leica P50地面三維激光掃描儀進行數據采集，該掃描儀為一款中長距離測程的地面三維激光掃描儀，具有惡劣環境下可以獲得高質量點云數據、掃描范圍廣且噪音極小等優點。掃描儀相關參數見表1。另外，輔助數據采集的控制測量儀器還包括Leica TS30全站儀 1 臺、棱鏡球等。

表1 Leica P50三維激光掃描儀技術參數

滑坡蠕動變形是一個緩變動態過程，本文采用一站測量法，避免多站數據拼接帶來的誤差，有效保證了多期數據對比的可靠性，提高了滑坡變形監測的精度。確定測站點位置時要考慮通視、最大入射角和最大掃描范圍，因此儀器架設在滑坡體對面山坡最高點上，掃描精度設置為3 mm @10 m。考慮到凍土消融等因素對滑坡影響，分別于2021年 2 月 26日(凍土消融前，現場溫度3 ℃)和2021年 5 月 3 日(凍土消融后，現場溫度28℃)采集2期點云數據，分析滑坡位移。任選一期(第2期)滑坡變形體點云見圖6，其中點個數為18 217 525個。

圖6 滑坡變形體點云

2.3 數據處理

2.3.1 基于永久三棱錐基準統一數據處理

本文開發了一種三棱錐標靶，三棱錐模板尺寸為每個等邊三角形邊長50 cm，高15 cm。在穩定區共澆筑3個混凝土三棱錐，其中任意一個三棱錐標靶見圖7，三棱錐標靶點云見圖8。

圖7 三棱錐標靶

圖8 三棱錐點云

基于三棱錐點云的提取原理如圖 9所示，可通過三棱錐點云擬合出三個平面，通過3個平面可交會出三棱錐頂點。

圖9 三棱錐點云提取原理

分別基于兩期點云數據擬合三棱錐頂點坐標，第1期點云數據中3個三棱錐各擬合的頂點見表2，第2期點云數據中3個三棱錐各擬合的頂點見表3。

表2 第1期點云三棱錐標靶頂點坐標

表3 第2期點云三棱錐標靶頂點坐標

滑坡體2期初始點云見圖10，基準統一時，采用ICP算法求得的平移向量為(0.134，0.080，-0.038)，本文將旋轉矩陣轉換為繞坐標軸旋轉角度，其中繞x軸旋轉角0.164°，繞y軸旋轉角-0.180°，繞z軸旋轉角度-46.886°，運用所求旋轉和平移參數使得基準統一后的點云見圖11，滑坡變形體照片見圖12。可以看出，兩期點云基于特征標靶三棱錐已精確配準。兩期點云基準統一，為后續滑坡變形量探測奠定了良好的基礎。該理論方法簡單實用、效率與精度高。

圖10 滑坡體兩期初始點云圖

圖11 兩期基準統一后的滑坡體局部點云

圖12 滑坡變形體照片

2.3.2 基于全站儀后視定向基準統一數據處理

在滑坡等變形體監測中，需要以穩定區的點為監測基準，本文穩定區4個控制點坐標見表4。

表4 控制點坐標

基于全站儀站點坐標后視法掃描模式進行數據采集時，其實際操作需要分為三個步驟展開：

(1)全站儀采集滑坡區監測點坐標。將全站儀架設在任意位置，后視穩定區任意兩個以上控制點坐標，交會得到全站儀當前架設測站點坐標，再測量得到位于滑坡區3個監測點棱鏡球的棱鏡中心坐標，棱鏡球照片見圖13。

圖13 棱鏡球標靶

(2)運用地面三維激光掃描儀數據擬合得到監測點坐標。將三維激光掃描儀架設在任意位置，掃描并擬合得到3個監測點棱鏡球點云的球心坐標。利用布爾沙模型可求出點云坐標系轉換為全站儀坐標系的坐標轉換參數。

(3)運用所求出的坐標轉換參數將每一期點云坐標轉換到穩定區控制點坐標系下，實現基準統一。

運用全站儀后視定向理論方法精確配準后的點云見圖14。兩期點云已精確轉換為穩定區控制點坐標系下，實現了多期點云基準統一。該方法理論嚴密、實踐中便于操作，不受滑坡體地形條件限制、適用性廣。進一步分析了兩期點云基于標靶特征的配準精度，基于三棱錐標靶配準精度為0.003 m ，基于全站儀站點后視定向的點云配準精度為0.005 m。

圖14 精確配準后的點云

綜合對比兩種點云基準統一理論與方法，可得：

(1)從外業數據采集方面來看，為了保證配準精度，在同樣范圍的測區中，基于固定三棱錐標靶數據采集模式，操作簡便快速，適用于通視性好、便于澆筑混凝土的環境條件。基于全站儀站點后視定向點云數據采集模式，不受現場條件限制，適用性廣。在穩定區有控制點的情況下，可有效地將點云直接測算至已有坐標系中，這對基于點云數據的滑坡災害體持續動態監測有重要意義。

(2)從點云基準統一來看，基于固定三棱錐標靶和基于全站儀后視定向的基準統一理論嚴密、配準精度高。基于全站儀站點坐標的后視定向優勢在于可以將點云轉換到已有的控制點坐標系下，對測區工程利用較為有利，但是全站儀觀測值誤差會直接代入到點云的坐標值中，全站儀獲得的測站坐標值的精度將直接影響著點云精度。

3 結論

本文采用TLS技術獲取滑坡變形體點云數據，提出了基于永久三棱錐和基于全站儀后視定向兩種基準統一方法。為驗證本文所提理論方法的精度和可靠性，選取甘肅省臨夏回族自治州癿藏鎮3號滑坡為研究對象，結論如下：

(1)基于永久三棱錐基準統一理論方法的三棱錐頂點配準精度為0.003 m，基于全站儀站點后視定向基準統一理論方法的棱鏡球配準精度為0.005 m。本文所提方法精度高、理論嚴密，其中基于永久三棱錐基準統一理論方法克服了球形標靶邊緣漂移問題，基于全站儀站點后視定向基準統一理論方法解決了配準處理時為找重疊區域同名點對數據采集要求苛刻的弊端，解決了全局坐標系轉換困難的問題，對現場通視要求不高，適用性廣。

(2)基于永久三棱錐基準統一方法和基于全站儀站點后視定向基準統一方法外業操作簡便，效率高，其在滑坡區中的成功應用對三維激光掃描技術在滑坡等災害變形監測的深度應用和有效推廣有重要借鑒意義。