白立飛

山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東濟(jì)南 250002

中國地理地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境類型繁多，因此也存在較多的地質(zhì)災(zāi)害影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定影響較大的包括地震、洪水、泥石流、滑坡等。尤其“滑坡”作為一種多發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害引起了人們關(guān)注，如“11.13麗水山體滑坡事故”、“12.30深圳滑坡事故”、“茂縣山體滑坡事故”等，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成了損失、威脅?；聻?zāi)害具有較強(qiáng)的可預(yù)防性，如“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)”就是一種簡(jiǎn)單、可行的方法，但尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足滿足需要。三維激光掃描技術(shù)在不接觸滑坡的情況下，能夠快速反應(yīng)滑坡整體變化趨勢(shì)，測(cè)量精度高、速度快，并通過云技術(shù)處理、計(jì)算機(jī)建模等方式，進(jìn)行滑坡運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)判斷，從而做好災(zāi)害預(yù)防。

1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，三維激光掃描技術(shù)被譽(yù)為繼GPS技術(shù)之后的最先進(jìn)測(cè)繪科學(xué)，它引領(lǐng)測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)入全新技術(shù)“革命時(shí)代”。一方面，通過三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用，可以快速獲取精確的數(shù)據(jù)，并直接實(shí)現(xiàn)掃描對(duì)象的計(jì)算機(jī)建模，因此也被稱之為“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)。另一方面，由于該技術(shù)通過掃描表面獲得的是實(shí)物“三維數(shù)據(jù)”，所以每一個(gè)點(diǎn)（xi，ym，zn）都是直接獲得，在后期不需要做復(fù)雜處理即可使用，并最大限度保障了數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性和完整性。

一個(gè)完整的三維激光掃描系統(tǒng)包括：激光掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、CCD相機(jī)、校正系統(tǒng)及儀器設(shè)備控制系統(tǒng)等?；诨卤O(jiān)測(cè)的地面掃描特征，還需要便攜式電源、筆記本、三腳架等設(shè)備。具體工作中，整個(gè)系統(tǒng)基于同一操作平臺(tái)下，通過軟件支持實(shí)現(xiàn)多種、多個(gè)傳感器集中管理；較為典型的滑坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用，如2003年奧地利Rigel公司利用LMS-Z420三維激光掃描儀對(duì)阿爾卑斯山冰川的監(jiān)測(cè)，Optech公司利用ILRIS-3D激光掃描系統(tǒng)+GPS技術(shù)進(jìn)行的MIAGE冰川北部進(jìn)行的監(jiān)測(cè)。

2 三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用原理與特點(diǎn)

2.1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用原理

結(jié)合不同的掃描位置、角度分析，三維激光掃描儀主要包括：車載型、地面型、手持型三類。用于滑坡監(jiān)測(cè)的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用主要是“地面型”，進(jìn)一步細(xì)分，其一為移動(dòng)式掃描系統(tǒng)，其二為固定式掃描系統(tǒng)。移動(dòng)式掃描系統(tǒng)以車輛為搭載工具，包括GPS天線、數(shù)碼攝像機(jī)、傳感器、距離測(cè)量器等工具，其優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描，又具備POS系統(tǒng)直接獲取地理坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。但相應(yīng)地，這種類型的應(yīng)用存在價(jià)格劣勢(shì)，由于設(shè)備十分昂貴，并不適合廣泛普及；固定式掃描系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中較為常見，其工作原理與全站儀十分類似，主要的系統(tǒng)部分為數(shù)碼相機(jī)、三維激光掃描儀和控制軟件系統(tǒng)。但這種類型的應(yīng)用缺點(diǎn)也十分明顯，由于它需要在多個(gè)固定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，所以最終數(shù)據(jù)呈現(xiàn)是拼接形式，并且缺乏POS系統(tǒng)無法獲得地理歸化三維坐標(biāo)體系。

結(jié)合原理分析，主要在于激光測(cè)距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)兩個(gè)方面。

一方面，激光測(cè)距系統(tǒng)。激光測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展先后經(jīng)歷了脈沖式、相位式、三角法三個(gè)階段，其中“脈沖測(cè)距法”應(yīng)用十分廣泛，絕大多數(shù)激光掃描儀都基于這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)。首先通過二極管發(fā)射激光脈沖，經(jīng)由旋轉(zhuǎn)棱鏡射向被測(cè)實(shí)體，然后反射回來被探測(cè)器接受并記錄，最后利用信號(hào)發(fā)射、接受的時(shí)間差來計(jì)算距離，計(jì)算公式為：

其中，S代表被測(cè)距離，C代表激光速度（即光速），T代表往返時(shí)間差；相位式測(cè)距的原理主要根據(jù)無線電波段頻率，激光掃描儀可以自動(dòng)調(diào)整頻率幅度，利用調(diào)制光往返形成的相位延遲計(jì)算距離，其計(jì)算公式為：

該方法主要用在近距離掃描；三角法測(cè)量原理依據(jù)三角幾何關(guān)系，可以快捷地測(cè)得掃描目標(biāo)與掃描設(shè)備中心距離，這也是目前最為精確的測(cè)量方法。

另一方面，激光掃描系統(tǒng)。包括電鏡掃描、全系光柵掃描、多棱鏡掃描、光機(jī)掃描等都是較為常見的激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象，其實(shí)現(xiàn)核心控制在于掃描間隔、高頻成像和大幅度掃描三個(gè)層面。在實(shí)現(xiàn)原理方面，設(shè)定掃描儀中心空間位置為三維坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），其中x軸代表網(wǎng)線前進(jìn)方向，y軸、x軸垂直形成的平面以順時(shí)針為參考，z軸垂直；激光掃描儀發(fā)射的脈沖信號(hào)被反射后，利用時(shí)間差計(jì)算掃描站點(diǎn)到被測(cè)實(shí)體表面任意一點(diǎn)的距離，進(jìn)而通過橫向、縱向的整體性掃描，獲得三維坐標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：α、 θ分別代表反射、入射角度。

2.2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

第一，非接觸?；卤O(jiān)測(cè)過程中需要實(shí)現(xiàn)大面積、遠(yuǎn)距離的測(cè)量作業(yè)，而三維激光掃描技術(shù)可以在不接觸目標(biāo)表面的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，可以規(guī)避一些危險(xiǎn)或不可及的區(qū)域監(jiān)測(cè)。

第二，高速性。三維激光掃描技術(shù)的采樣點(diǎn)速度可達(dá)到每秒鐘50000點(diǎn)，更為先進(jìn)的設(shè)備可以達(dá)到幾十萬、上百萬，在獲得大面積實(shí)體掃描的同時(shí)滿足了精確性需求。

第三，主動(dòng)性。該技術(shù)不需要外部光源，可以全天候進(jìn)行作業(yè)，突出主動(dòng)性優(yōu)勢(shì)。

第四，穿透性、結(jié)合性。由于三維激光掃描技術(shù)具有較強(qiáng)穿透能力，可以規(guī)避植被對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的信息覆蓋，同時(shí)結(jié)合外置相機(jī)、GPS系統(tǒng)等可以獲得更準(zhǔn)確、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了應(yīng)用空間。

第五，自動(dòng)化、數(shù)字化。利用三維激光掃描可實(shí)現(xiàn)數(shù)字坐標(biāo)信息直接轉(zhuǎn)化，自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)明顯，在后期處理、輸出、格式轉(zhuǎn)換等方面節(jié)省大量人力物力財(cái)力。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用實(shí)證

實(shí)證研究對(duì)象選擇北方某風(fēng)景區(qū)一處滑坡區(qū)域，滑坡橫向長度100m、垂直高度70m，滑坡形成原因?yàn)樯喜啃钏亻_裂，山體四周不斷遭受雨水沖刷，而此地作為景區(qū)環(huán)境的組成部分，容易造成人員傷亡，存在進(jìn)行監(jiān)測(cè)的必要性。

基于同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)比較的目的，控制點(diǎn)選擇較遠(yuǎn)，但確保各個(gè)點(diǎn)之間能夠相互通視，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在坡體裂縫兩側(cè)，按照1/4扇形對(duì)稱的方式選擇四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并使用尼康DTM-352全站儀展開邊角觀測(cè)。

此外，考慮到整個(gè)滑坡區(qū)的區(qū)域有限，監(jiān)測(cè)過程并不需要重復(fù)、多次設(shè)立站點(diǎn)。應(yīng)用三維激光掃描儀（徠卡ScanStation-2）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)與處理、數(shù)據(jù)輸出三個(gè)步驟操作。

第一，數(shù)據(jù)采集。該操作是三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用的基本環(huán)節(jié)，為了提高精確度，必須最大程度規(guī)避人工造成的誤差，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集之前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的一些雜物進(jìn)行了必要清理。數(shù)據(jù)收集過程包括架站、定向、拍照和掃描四個(gè)步驟，其中“掃描”又分為粗掃、細(xì)掃兩個(gè)部分。

第二，數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用Cyclone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括噪聲處理、多是點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云濾波操作等。其中，“去噪”是一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)，這涉及到滑坡體表面上存在的干擾因素，可能造成掃描系統(tǒng)生成較大誤差，一些無法人工清理的內(nèi)容，如電桿、建筑等，可在后期進(jìn)行手工刪除。

第三，數(shù)據(jù)輸出。利用Cyclone軟件可導(dǎo)出.txt格式的數(shù)據(jù)文件，其來源主要是自編程序?qū)呙椟c(diǎn)生成的DEM模型。軟件界面中包括了表面涂、等值線圖、土方量、曲面DEM等，尤其是可利用CAD圖實(shí)現(xiàn)可視化分析，能夠直觀地觀察滑坡變化情況（歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）。其中，關(guān)于邊界坐標(biāo)文件的獲取，一方面可利用Cyclone點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取，并按照一定格式編制。另一方面，運(yùn)行程序中可以提取坐標(biāo)文件。

4 結(jié)語

鑒于三維激光掃描技術(shù)的種種優(yōu)勢(shì)，如精確度高、測(cè)量范圍大等，其應(yīng)用也逐漸從工業(yè)領(lǐng)域延伸到生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，并在測(cè)繪科學(xué)中發(fā)揮了重要價(jià)值。本文重點(diǎn)探討了其在滑坡監(jiān)測(cè)中的原理、特點(diǎn)和實(shí)證內(nèi)容。但就應(yīng)用現(xiàn)狀而言，大面積普及該技術(shù)還存在一些障礙，主要是由于其應(yīng)用成本過高造成的。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，下一階段三維激光掃描技術(shù)在生態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求會(huì)更強(qiáng)烈，降低成本是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。同時(shí)，也不可忽視技術(shù)方面存在的問題，如與傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備相比，三維激光掃描技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要大量設(shè)備支撐（系統(tǒng)化），這必然導(dǎo)致行動(dòng)不便，在進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)中存在空間操作困難；需要不斷建立、優(yōu)化滑坡災(zāi)害的預(yù)報(bào)體系，如變形信息、土方量變化趨勢(shì)等，還需要做出大量工作。

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