劉明坤，段奇三，趙晨曦，楊艷鋒

(1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

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三維激光掃描在滑坡災(zāi)害變形中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用

劉明坤1，段奇三2，趙晨曦1，楊艷鋒1

(1. 北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

摘要：針對(duì)滑坡災(zāi)害變形，利用三維激光掃描儀采用非接觸測(cè)量方式對(duì)效應(yīng)靶形變量進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)測(cè)滑坡體的位移量。結(jié)果表明，三維激光掃描儀可以對(duì)滑坡體變形進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，滑坡體在強(qiáng)降雨下土層飽和后的變形量精度達(dá)到毫米級(jí)。

關(guān)鍵詞：滑坡;變形;三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)作為一種新型的面測(cè)量技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)創(chuàng)新。本文針對(duì)北京某滑坡，利用Topcon GLS-2000三維激光掃描技術(shù)在2015年7月雨季進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)多次采集的滑坡體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)滑坡在強(qiáng)降雨下土層飽和后所造成的滑坡體位移量。

一、三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱“三維實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)；同時(shí)，它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作(如測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等)，它是各種正向工程工具的對(duì)稱應(yīng)用工具，即逆向工程工具。所有采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口格式轉(zhuǎn)換給各種正向工程軟件直接使用。

三維激光掃描儀分相位激光和脈沖激光技術(shù)兩種，其原理是激光測(cè)距，并在空間形成橫向和縱向的精確測(cè)量，計(jì)算出被測(cè)量點(diǎn)與掃描儀中心的相對(duì)位置，并得出獨(dú)立坐標(biāo)(X,Y,Z)，給予每個(gè)坐標(biāo)一個(gè)點(diǎn)的圖形符號(hào)，在計(jì)算機(jī)中以點(diǎn)符號(hào)顯示，形成云狀三維模型，故而稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)，可以稱其為多點(diǎn)式的全站儀。

GLS-2000三維激光掃描技術(shù)參數(shù)如下：

1) 掃描距離：500 m；

2) 視場(chǎng)角：360°×270°；

3) 相機(jī)參數(shù)：5×106像素×2個(gè) (170°/8.9°)；

4) 激光等級(jí)：3R (高速模式/標(biāo)準(zhǔn)模式 )/1M (安全模式)。

Topcon GLS-2000特點(diǎn)如下：

1) 一體化設(shè)計(jì)；

2) 全景掃描；

3) 內(nèi)置雙相機(jī)；

4) 可掃描棱鏡；

5) 二次回波；

6) 內(nèi)置兩種激光；

7) 自動(dòng)量測(cè)儀器高；

8) 支持多種點(diǎn)云拼接方式；

9) 后視定向；

10) 內(nèi)置5種掃描模式。

二、滑坡體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集

滑坡位于北京市豐臺(tái)區(qū)王佐鎮(zhèn)西莊店村后甫營(yíng)路東北側(cè)，坐標(biāo)為(39°50′58.9″，116°5′15.1″)?；戮嚯x景區(qū)售票處僅500 m，距離后甫營(yíng)村僅280 m?；麦w上方為山坡林地，下方為千靈山風(fēng)景區(qū)的停車場(chǎng)(目前未使用)?；戮嚯x王佐鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府約7.5 km，有后甫營(yíng)路、沙羊路、大灰廠路等通往鎮(zhèn)中心及市區(qū)，距離西六環(huán)約2.6 km。

在滑坡體對(duì)面山體建立控制點(diǎn)，選擇穩(wěn)定基巖，選用不銹鋼材料進(jìn)行混凝土澆筑。

首次利用Topcon GLS-2000三維激光掃描儀對(duì)滑坡體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將掃描儀架設(shè)在控制點(diǎn)上，利用Topcon GLS-2000三維激光掃描儀后視定向功能進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)確立。

設(shè)置掃描密度及掃描范圍進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。

三、滑坡體特征

1. 表面特征

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡主滑方向約176°，后緣裂縫上部穩(wěn)定基巖出露，產(chǎn)狀為177°∠14°，總體平面形態(tài)呈圈椅狀，下陡中緩上陡，滑坡體坡度約為20°～30°，主滑方向與巖層傾向基本一致，屬于順層滑坡。

滑坡西側(cè)山體出露基巖產(chǎn)狀為164°∠37°，東側(cè)山體出露基巖產(chǎn)狀為125°∠21°，滑坡體東側(cè)緊鄰一條沖溝，沖溝底部頁巖出露，基巖產(chǎn)狀為226°∠65°。

滑坡后緣出現(xiàn)拉張裂縫，總長(zhǎng)約110 m，總體走向約45°，后緣最大裂縫深度約2.3 m，最大裂縫寬度約50 cm，發(fā)育有近東西向節(jié)理裂隙5條，近南北向垂直節(jié)理3條(如圖1所示)，出現(xiàn)滑坡壁，滑坡壁坡度約70°，后緣裂縫上部出現(xiàn)較少與滑動(dòng)壁平行裂縫，后緣裂縫有向上發(fā)展趨勢(shì)。

圖1　滑坡后緣兩組節(jié)理裂隙垂直相交

滑坡體中部距后緣約47 m及57 m處出現(xiàn)兩條較大裂縫，最大寬度約25 cm，總長(zhǎng)約55 m，上部裂縫總體走向約為30°，下部裂縫呈圓弧狀展布，沿此兩條裂縫出現(xiàn)數(shù)十條發(fā)散狀裂縫，與其呈相交關(guān)系，并且滑坡體上大量片石樹坑出現(xiàn)拉裂。

滑坡前緣形成鼓丘，出現(xiàn)剪出口，剪出口上部形成多條放射狀及羽狀裂縫，最大寬度約20 cm，鼓丘下方，出現(xiàn)4條溢出水流。

2. 結(jié)構(gòu)特征

通過野外調(diào)查天然出露的地層及搜集相關(guān)資料，認(rèn)為該滑坡類型屬于巖質(zhì)滑坡。地層主要為第四系松散堆積層及石炭系地層，其中第四系主要為殘坡積物，成分為碎石土，石炭系地層巖性主要為泥巖、頁巖、千枚巖等。

根據(jù)巖性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，滑坡物質(zhì)組成自上而下可分為兩層。

(1) 碎石土

分布于滑坡體中下部，主要為殘坡積物，碎石土結(jié)構(gòu)松散，透水性較好，沿著斜坡方向自上而下厚度逐漸增加，厚度較大。

(2) 頁巖

滑坡體表層頁巖風(fēng)化嚴(yán)重，為中風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化，呈層狀，主要為灰黑色或表層呈暗紅色，層面之間結(jié)合力較低，巖層產(chǎn)狀較緩，基巖產(chǎn)狀為177°∠14°，層理發(fā)育，韻律細(xì)微，巖石構(gòu)造節(jié)理、劈理發(fā)育，易破裂，沿層面剝離嚴(yán)重?；潞缶壈l(fā)育有近東西向節(jié)理裂隙5條，近南北向垂直節(jié)理3條，后緣出現(xiàn)滑坡壁，多為陡傾角?；卤谄露燃s70°。

四、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM

利用I-SITE Studio軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模生成DEM。將滑坡的法線定位為垂直于斜坡，在此法線基礎(chǔ)上生成模型(如圖2所示)。此做法避免了模型的三角面片與重力方向一致導(dǎo)致的不連續(xù)模型的出現(xiàn)。

圖2　滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

五、掃描數(shù)據(jù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)疊加分析

由于Topcon GLS-2000三維激光掃描儀在對(duì)滑坡體掃描時(shí)架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，保證了強(qiáng)制對(duì)中，同時(shí)掃描儀具有后視定向功能，因此保證了每期數(shù)據(jù)無需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接而在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中。

1. 虛擬量測(cè)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)或DEM中量測(cè)滑坡體的長(zhǎng)度、寬度、面積等，并進(jìn)行滑坡體體積估算，如圖3所示。

圖3　滑坡體寬度解譯

2. 數(shù)據(jù)對(duì)比

通過人工簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)，6日內(nèi)滑坡后緣部分裂縫變形量為28和66 mm。同時(shí)運(yùn)用Topcon三維激光掃描儀于7月25日及8月1日，對(duì)滑坡體開展了2期三維激光掃描測(cè)量，通過2期數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)7天內(nèi)滑坡體存在明顯位移形變，最大形變約600 mm(如圖4所示)。

圖4　滑坡形變對(duì)比分析監(jiān)測(cè)圖

3. 滑坡體等高線提取

通過分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)滑坡體等高線進(jìn)行解譯提取(如圖5所示)。

圖5　滑坡體等高線解譯圖

4. DEM與地質(zhì)數(shù)據(jù)模型分析

因滑坡東南約1.5 km處為控制北京地區(qū)西部隆起與東部斷陷沉積這兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元的八寶山—高麗營(yíng)斷裂帶。該斷裂帶由南大寨—八寶山斷裂和黃莊—高麗營(yíng)斷裂兩條相伴而平行的主要斷裂組成，在滑坡區(qū)附近呈北東—南西走向，傾向SE，傾角較大。因此在三維模型中考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景，有利于分析斜坡走向與變形。

通過疊加的地質(zhì)背景資料與DEM，可提取滑坡體體積。方法為沿橫向(地平方向)依據(jù)DEM進(jìn)行范圍確定；縱向(地心方向)沿推測(cè)滑動(dòng)面走向，高于滑動(dòng)面的體積為滑坡體滑動(dòng)預(yù)估值(如圖6所示)。

圖6　滑坡體DEM模型體積解譯圖

六、結(jié)束語

三維掃描技術(shù)通過激光或結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維重建。三維掃描技術(shù)也是一種將測(cè)量從傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量提升到面測(cè)量的革命性技術(shù)，其根據(jù)載體不同包括機(jī)載、地面和手持等幾類。

通過前文研究，可得出如下結(jié)論：采用地面式三維激光掃描技術(shù)可以迅速獲取滑坡體形變數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維分析。將掃描的三維模型與地質(zhì)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可以形成地表及地下的空間一體數(shù)據(jù)，為滑坡災(zāi)害的治理提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李濱，冉磊，程承旗.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土石方工程的研究[J].測(cè)繪通報(bào)， 2012(10) : 62-64．

[2]YANG Yunbin，LU Yonggang. Study on Universal Vulnerability/Lethality Assessment Software[C]∥23rd International Symposium on Ballistics. [S.l.]: ISB, 2007.

[3]IEC. Classification of EnvivonmontalConditions: 60721-3-2-1997[S]．[S．l．]:IEC,1997．

[4]李濱，王漢順，段奇三，等. 點(diǎn)云檢測(cè)技術(shù)在高速公路邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè),2014(4):20-22，26.

[5]褚宏亮，殷躍平，曹峰，等.大型崩滑災(zāi)害變形三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(3)：128-134.

(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)