孔文瓊 張瑜都 趙瑞英

摘 要：以蘭州某滑坡體為例，運(yùn)用中海達(dá)HS1200三維激光掃描儀進(jìn)行滑坡體數(shù)據(jù)采集、處理，與同期全站儀測得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并進(jìn)行點(diǎn)位誤差分析，建立了數(shù)字高程模型（DEM），生成等高線，利用相應(yīng)軟件HD 3L SENE計(jì)算滑坡體的體積。結(jié)果表明，兩種方法變形量基本相同，三維激光掃描技術(shù)效率高，無需接觸被測物體，點(diǎn)位誤差為9.92mm，體積誤差為0.45%，滿足監(jiān)測精度要求，對(duì)滑坡體采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測具有可行性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;滑坡變形監(jiān)測;點(diǎn)云數(shù)據(jù);對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：P642.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0097-04

Application of 3D Laser Scanning Technology in Landslide Deformation Monitoring

Kong Wenqiong1， Zhang Yudou1， Zhao Riuying2

（1.Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China; 2. China Railway Lanzhou Bureau Co.， Ltd.，

Lanzhou 730000， China）

Abstract：This paper takes a landslide in Lanzhou as an example， Using the Haida HS1200 3D laser scanner to collect and process landslide data， coMPares with the data measured by the total station in the same period， and analyzes the point error. Establishes a digital elevation model （DEM）， and generate contour lines. Calculate the volume of the landslide body with the corresponding software HD 3L SENE. The results prove that the deformation of the two methods is basically the same， the 3D laser scanning technology is highly efficient and does not need to touch the object to be measured. The point error is 9.92mm and the volume error is 0.45%. It can meet the monitoring accuracy requirements， and it is feasible to use 3D laser scanning technology for deformation monitoring of landslide body.

Key words：3D laser scanning; landslide deformation monitoring; point cloud data; coMParative analysis

中國是一個(gè)多山、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，滑坡預(yù)報(bào)的技術(shù)手段之一是滑坡監(jiān)測，傳統(tǒng)的測量方法是利用全站儀、GPS等測量儀器進(jìn)行觀測，都屬于單點(diǎn)監(jiān)測，存在監(jiān)測點(diǎn)較少、造價(jià)高、自動(dòng)化程度低等問題[1]。三維激光掃描技術(shù)是近年出現(xiàn)的高新技術(shù)，又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[2]，具有效率高、精度高、非接觸性等優(yōu)勢(shì)[3]，它可以獲得滑坡體的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而能夠詳細(xì)的得到滑坡體細(xì)節(jié)和整體的變形信息。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描是一種高速激光測距的測量技術(shù)[4]，探測方法有多種，工程應(yīng)用中一般都采用脈沖法進(jìn)行測量，其原理是根據(jù)激光測距[5]，以測站點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立右手坐標(biāo)系，掃描儀向待測物體發(fā)射橫向角度值為α，縱向角度值為θ的激光脈沖[6]，獲得距離S，由以下公式可得到觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo) [7]：

2 滑坡變形監(jiān)測實(shí)例分析

變形監(jiān)測分析是滑坡變形監(jiān)測的重點(diǎn)工作，其中主要包括以下兩方面的內(nèi)容：通過監(jiān)測滑坡體特征點(diǎn)的不同時(shí)段的形變量，分析其變形的情況;根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM模型和TIN數(shù)據(jù)分析不同時(shí)刻相同區(qū)域的體積、等高線等變化的情況。

2.1 滑坡區(qū)域概況

該滑坡體位于蘭州市某盆地的東面，滑坡表面植被較少，且坡度較陡，該試驗(yàn)區(qū)域主要是黃色粉質(zhì)黏土，容易發(fā)生滑坡。因?yàn)榕赃吂こ痰男藿?，該滑坡體坡腳遭到嚴(yán)重的破壞，增加了該區(qū)域發(fā)生滑坡的可能性。利用三維激光掃描儀定期對(duì)該區(qū)域進(jìn)行滑坡監(jiān)測，能夠及時(shí)掌握該滑坡的信息，預(yù)防滑坡災(zāi)害的發(fā)生[8]。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本試驗(yàn)使用中海達(dá)HS1200三維激光掃描儀對(duì)滑坡體表面進(jìn)行掃描，為了對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下進(jìn)行對(duì)比分析，在滑坡體周圍埋設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)用于觀測定向及設(shè)站，控制點(diǎn)選取在通視良好、穩(wěn)定且離滑坡體150～200m的公路兩側(cè)，滑坡體觀測采用自由設(shè)站的方法，每次觀測2個(gè)測站，具體監(jiān)測網(wǎng)如圖1所示。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

采用中海達(dá)HS1200地面型三維激光掃描儀對(duì)滑坡體進(jìn)行監(jiān)測，得到5期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入配套的軟件HD 3LS SCENE中，應(yīng)用該軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接、去噪處理、數(shù)字高程模型的建立等[9]。

（1）點(diǎn)云拼接。根據(jù)滑坡體的實(shí)際情況，一個(gè)測站很難采集到所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)要從不同位置、不同角度進(jìn)行掃描，再將不同測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到一起[10]。在觀測過程中，由于采用獨(dú)立的坐標(biāo)系，最終要將采集的數(shù)據(jù)運(yùn)用理論知識(shí)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系中。本試驗(yàn)采用HD 3LS SCENE軟件，基于控制點(diǎn)的拼接，控制點(diǎn)選取3個(gè)以上、分布均勻且不在同一直線上的同名點(diǎn)。根據(jù)分析得到拼接時(shí)總體拼接精度為9.73mm，結(jié)果如圖2所示。

（2）點(diǎn)云去噪。在進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描的過程中，原始數(shù)據(jù)中會(huì)包含大量無用的冗余數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接、建模以及分析產(chǎn)生影響，降低數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量[11]，因此，在建模之前要進(jìn)行剔除噪點(diǎn)處理，提高信息的準(zhǔn)確性。本文先通過人工手動(dòng)剔除一些明顯的異常點(diǎn)，對(duì)于噪點(diǎn)難區(qū)分的云點(diǎn)時(shí)，需采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行去噪處理，去噪后的點(diǎn)云如圖3所示。

（3）模型建立。根據(jù)滑坡體的實(shí)際形狀和獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型。本文采用HD 3LS SCENE軟件選擇目標(biāo)點(diǎn)云，進(jìn)行投影、生成DEM、TIN模型，然后將DEM 模型導(dǎo)入到ArcGIS中加工處理，然后進(jìn)行可視化分析。數(shù)字高程模型如圖4所示。

2.4 滑坡分析

（1）基于特征點(diǎn)的變形分析。本次試驗(yàn)為了更好的反映滑坡體的變形情況，在使用三維激光掃描儀HS1200的同時(shí)，使用全站儀進(jìn)行觀測。在觀測過程中，選取滑坡區(qū)域狀態(tài)穩(wěn)定且較為突出的有明顯特征的巖石塊作為監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測掃描，建立模型，提取這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行分析比較。本試驗(yàn)分別于4月～8月進(jìn)行5次觀測，得到5期點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀觀測數(shù)據(jù)，在掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取7個(gè)特征點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為變形分析的數(shù)據(jù)。表1～2為處理后其中兩期的坐標(biāo)值和變形量。

根據(jù)監(jiān)測方案得到5期滑坡體位移累積量，如表3所示。

表1和表2分別為4月和8月采用全站儀和三維激光掃描儀測得的滑坡體變形的基本情況，兩種方法得到的變形量基本上一致。

由表3可以看出，特征點(diǎn)JC4、JC6在Z方向累計(jì)沉降量超過 40 mm，那么在今后的滑坡監(jiān)測過程中，要重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)及周圍做好加固措施。通過上面數(shù)據(jù)分析得到三維激光掃描儀可以應(yīng)用到滑坡變形中，而且還可以反映滑坡體的變形情況。

通過對(duì)比以上兩種測量方法的數(shù)據(jù)，由點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式得到的誤差結(jié)果如5圖所示。

由圖5可知，監(jiān)測點(diǎn)誤差MX=3.59mm，MY=2.92mm，觀測點(diǎn)前五期點(diǎn)位中誤差DXTZ=9.92mm，符合精度要求，可看出三維激光掃描儀能夠滿足滑坡體的監(jiān)測精度要求。在進(jìn)行三維激光掃描過程中，滑坡體上的激光光斑會(huì)隨著掃描距離的增加而變大，誤差也會(huì)隨著距離的增加而增大，從而導(dǎo)致了掃描精度的降低;同時(shí)，由于特征點(diǎn)的選取會(huì)受到地面環(huán)境的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理時(shí)會(huì)降低測量精度。

（2）基于特征線的變形分析。通過掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建DEM、TIN模型，從而可以提取滑坡體的等高線、裂縫線等線性特征，根據(jù)這些線性特征，分析對(duì)應(yīng)滑坡體在不同時(shí)期的變化。

使用中海達(dá)的點(diǎn)云后處理軟件，將三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息自定義等高距，生成等高線。通過不同時(shí)期所生成的等高線的對(duì)比，就可以得到滑坡體的變化趨勢(shì)，如圖6所示。由第1期和第3期生成等高線對(duì)比分析，得到兩期的變形量約為10cm。

（3）基于土方量的變形分析。對(duì)比滑坡體兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的模型的土方量來分析滑坡體的變形信息，在中海達(dá)HD 3L SENE軟件中計(jì)算本試驗(yàn)滑坡體的體積。由處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成DEM和TIN數(shù)據(jù)，再計(jì)算滑坡體的體積。根據(jù)實(shí)際情況，該滑坡體以數(shù)據(jù)最低點(diǎn)設(shè)置試驗(yàn)基準(zhǔn)面，輸出最終滑坡體體積成果數(shù)據(jù)，2D面為28602.000m2，3D體積為1629831.467m3，與全站儀測量對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

對(duì)比分析得到，與全站儀相比，三維激光掃描儀采集的點(diǎn)數(shù)量較多，且用時(shí)較少，由最終得到的結(jié)果來看，以全站儀為參照物，三維激光掃描體積誤差為0.45%，滿足一般要求。

3 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)配合相應(yīng)的軟件，相對(duì)于傳統(tǒng)方法能夠更形象直觀的反映研究物體的特征。文章基于三維激光掃描與全站儀從特征點(diǎn)、特征線和土方量進(jìn)行標(biāo)膠分析，得到滑坡體實(shí)際的變形情況，最終得到了該滑坡體法人變化的趨勢(shì)。結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)在滑坡變形監(jiān)測應(yīng)用中有參考意義。

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