黃 江，石豫川，吉 鋒，段偉鋒

（1．成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2．中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，杭州 310014）

三維激光掃描技術(shù)在高邊坡危巖體調(diào)查中的應(yīng)用與討論

黃 江1，石豫川1，吉 鋒1，段偉鋒2

（1．成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2．中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，杭州 310014）

高邊坡危巖體傳統(tǒng)調(diào)查難度大，危險(xiǎn)性高，三維激光掃描技術(shù)的高效率、高精度、遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)勘察方法的缺點(diǎn)。利用三維激光掃描技術(shù)可優(yōu)化傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查過(guò)程，且室內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)成熟，可實(shí)現(xiàn)對(duì)危巖體的定量分析，如：危巖體幾何尺寸測(cè)量，高精度危巖剖面圖，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、連通率、間距等測(cè)量，危巖體三維坐標(biāo)精確獲取及危巖體邊界范圍準(zhǔn)確界定等；另外，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)后處理軟件的二次開(kāi)發(fā)，并對(duì)建立信息化危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行初步研究，從理論上論證了其可行性。由此可見(jiàn)，三維激光掃描技術(shù)在高邊坡危巖體調(diào)查中具有較高的應(yīng)用價(jià)值與廣闊前景。

危巖體；高邊坡；三維激光掃描技術(shù)；多元化應(yīng)用

1 研究背景

挽近期來(lái)，西南地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，自然地質(zhì)作用發(fā)育，河流急劇下切形成高山峽谷，高邊坡環(huán)境多數(shù)較為惡劣，復(fù)雜巖體中高邊坡穩(wěn)定性成為當(dāng)今地質(zhì)工作者的研究熱點(diǎn)［1］。危巖體崩塌是山區(qū)高邊坡主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，指陡峭邊坡上被結(jié)構(gòu)面切割，在重力、風(fēng)化營(yíng)力、地應(yīng)力、地震、水體等作用下與母巖逐漸分離，從而處于欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的巖體［2－3］。危巖體現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要是確認(rèn)其幾何尺寸、邊界條件、控制性結(jié)構(gòu)面特征、可能失穩(wěn)方式、可能運(yùn)動(dòng)軌跡及對(duì)水工建筑的危險(xiǎn)性等。其所處高陡邊坡，巖體結(jié)構(gòu)破碎等惡劣地質(zhì)條件，使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查人員難以到達(dá)，也十分危險(xiǎn)，在這種情形下，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法受到限制，急需一種非接觸、快速、準(zhǔn)確的調(diào)查技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制，能夠完整并高精度地收集被掃描實(shí)物的三維數(shù)據(jù)，直接做到將實(shí)物轉(zhuǎn)化為三位數(shù)據(jù)模型，其激光點(diǎn)云都是直接采集目標(biāo)真實(shí)數(shù)據(jù)，完全真實(shí)可靠，三維激光掃描技術(shù)的高效率、高精度、遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法的缺點(diǎn)。

黃潤(rùn)秋、董秀軍等［4－5］將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高邊坡調(diào)查及獲取高精度DTM的研究中；Zhou Y．等［6］應(yīng)用三維激光掃描儀在地形變化監(jiān)測(cè)和分析；劉宏等［7］將該技術(shù)應(yīng)用于邊坡巖體結(jié)構(gòu)的研究中；霍俊杰等［8］在巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)測(cè)量中也采用了三維激光掃描技術(shù)；徐進(jìn)軍等［9］研究了邊坡變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用；劉衛(wèi)華等［10］對(duì)危巖體調(diào)查中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了初步探討。以上研究雖將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)，但將該技術(shù)多元化應(yīng)用于危巖體調(diào)查研究卻較少，本文借鑒工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，討論三維激光掃描技術(shù)在危巖體調(diào)查中的工作思路及應(yīng)用效果，表明其在危巖調(diào)查中的應(yīng)用價(jià)值和前景。

某水電站自然邊坡高達(dá)450 m，坡度40°～60°，縱向呈上陡下緩，橫向溝梁相間，臨空條件優(yōu)越；邊坡軟弱巖夾雜，巖性復(fù)雜，由長(zhǎng)英質(zhì)變粒巖、石英巖及二云英片巖互層，差異性風(fēng)化有利于危巖形成；研究區(qū)無(wú)大斷層，但Ⅳ，Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育；有鉆孔資料顯示強(qiáng)風(fēng)化厚度為0．7～17．2 m不等，強(qiáng)卸荷帶水平深度一般約32．0～56．2 m，垂直深度一般為37．0～82．0 m不等。邊坡危巖較為發(fā)育，尤其是高位危巖，地形陡峻，不具備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查條件，其失穩(wěn)后可能對(duì)水工建筑造成毀滅性破壞，如何精準(zhǔn)判定危巖體邊界及穩(wěn)定性，對(duì)水電站修建具有重要意義。

2 三維激光掃描技術(shù)工作路線

三維激光掃描技術(shù)由軟件和硬件2方面組成，硬件包括三維激光掃描儀、發(fā)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、羅盤等；軟件包括PolyWorks，Controller，Parser等應(yīng)用軟件。本次掃描采用加拿大Optech公司生產(chǎn)的ILRIS 3D掃描儀，有效測(cè)距3～1 000 m，采樣率2 000點(diǎn)／s，精度達(dá)毫米級(jí)；數(shù)據(jù)處理軟件采用PolyWorks。通過(guò)多個(gè)水電站高邊坡危巖調(diào)查工作經(jīng)驗(yàn)，初步總結(jié)三維激光掃描技術(shù)在危巖調(diào)查中的工作路線，如圖1所示。在測(cè)站選取時(shí)要避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

圖1 三維激光掃描技術(shù)工作路線Fig．1 The work route of 3-D laser scanning technology

3 在高邊坡危巖體調(diào)查中的應(yīng)用分析

3．1 掃描點(diǎn)云坐標(biāo)與大地坐標(biāo)擬合

三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云有其自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，要將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，需要將原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為實(shí)際大地坐標(biāo)系。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)可用全站儀測(cè)量被掃描目標(biāo)3～6個(gè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)，在Polyworks的IMinspect模塊中打開(kāi)掃描點(diǎn)云圖，找出相應(yīng)定點(diǎn)的位置，再導(dǎo)入它們的大地坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可得出大地坐標(biāo)與原始坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，該換算擬合過(guò)程可通過(guò)軟件中的align功能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中，坐標(biāo)擬合的精度尤為重要，可以通過(guò)一些數(shù)學(xué)方法減少誤差，比如多次迭代減少誤差，去除個(gè)別干擾點(diǎn)等方法。研究區(qū)三維激光掃描坐標(biāo)擬合圖及其精度如圖2、表1。通過(guò)擬合坐標(biāo)偏差分析可得，ˉVi＝16 cm，精度為厘米級(jí)，而危巖尺寸一般為米級(jí)，因此該擬合精度可以滿足危巖調(diào)查要求。

圖2 三維激光坐標(biāo)擬合圖Fig．2 Three-dimensional laser coordinates fitting

表1 坐標(biāo)擬合表Table 1 Resu lt of coordinates fitting

3．2 幾何尺寸測(cè)量

研究區(qū)危巖體所處位置陡峻險(xiǎn)惡，且危巖體本身自穩(wěn)性不好，部分危巖體現(xiàn)場(chǎng)不具備攀爬測(cè)量條件，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查方法可能無(wú)法對(duì)危巖體的幾何尺寸進(jìn)行近距離測(cè)量，而三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查這方面的缺陷。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，可以準(zhǔn)確地獲取危巖體的長(zhǎng)、寬、高、相對(duì)高差、水平距離、坡度等幾何尺寸數(shù)據(jù)（如圖3、圖4、表2），為危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、防治措施等提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

圖3 幾何尺寸測(cè)量Fig．3 M easurement of geometric dimensions

表2 量取的幾何尺寸Table 2 M easured geometric dimensions

3．3 控制性節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量

控制性節(jié)理產(chǎn)狀的測(cè)量是危巖調(diào)查的重要環(huán)節(jié)，但對(duì)于高陡邊坡危巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的近距離測(cè)量十分困難。利用三維激光掃描技術(shù)找出掃描圖中出露的結(jié)構(gòu)面，在該出露面上選取不在同一條直線上的3個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)面，最后通過(guò)3個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)換算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，但手工計(jì)算產(chǎn)狀工作量大。董秀軍等［11］通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件的二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了能直接計(jì)算并顯示產(chǎn)狀的實(shí)用程序，工程實(shí)踐證明該方法測(cè)量產(chǎn)狀精確且簡(jiǎn)便，與實(shí)測(cè)結(jié)果十分接近，危巖體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀（圖5）與擬合產(chǎn)狀對(duì)比見(jiàn)表3。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)比Fig．4 Site photo for comparison

圖5 危巖體控制性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀Fig．5 Structural plane occurrence of the controlled perilous rock mass

表3 實(shí)測(cè)產(chǎn)狀與三維解譯產(chǎn)狀對(duì)比表Table 3 Comparison of occurrence between in-situ measurement and 3-D interp retation results

3．4 危巖體準(zhǔn)確定位

在危巖體調(diào)查中，準(zhǔn)確定位危巖極為重要，其方便指導(dǎo)工程防治施工。傳統(tǒng)定位方法是現(xiàn)場(chǎng)確定危巖后在地形圖或遙感圖中圈出來(lái)，但由于地形圖的比例差異以及不同人對(duì)于三維投影在二維圖上的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致傳統(tǒng)定位的偏差很大，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)意義不大，施工單位往往需要地質(zhì)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指認(rèn)，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

利用三維激光掃描技術(shù)解譯危巖體邊界條件后，可將邊界點(diǎn)三維坐標(biāo)準(zhǔn)確導(dǎo)入工程地質(zhì)平面圖中，施工人員通過(guò)放點(diǎn)就能準(zhǔn)確找到危巖的具體位置。但三維掃描圖彩色效果不明顯，直接解譯危巖有一定難度，通過(guò)工程實(shí)踐，總結(jié)出一個(gè)將二維的數(shù)碼拍攝與三維激光掃描相結(jié)合的危巖快速定位方法（圖6）。參考二維照片在三維圖中圈出危巖相應(yīng)位置時(shí)，可以將三維圖進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)，使其視角與拍二維圖視角相近（三維激光掃描儀內(nèi)置相機(jī)，掃描同時(shí)將對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行二維拍照），在相近視角下可以很精確在三維圖中圈出危巖位置。

圖6 二維與三維技術(shù)相結(jié)合的危巖定位新思路Fig．6 New framework of positioning perilous rock by combining 2-D and 3-D technologies

3．5 高精度危巖體剖面圖

傳統(tǒng)獲取地形剖面圖有2種方法，一種是利用皮尺＋羅盤的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，但在高陡且存在危巖邊坡基本無(wú)測(cè)量條件；另一種是利用地形等高線切取，但對(duì)于不同比例尺圖件切制出的剖面線差異很大，且局部微地形也難以反映出來(lái)。

利用三維激光掃描圖獲取危巖二維剖面圖，操作簡(jiǎn)單快捷，能高精度反映微地貌，對(duì)于大型危巖的計(jì)算模型，能提供十分精準(zhǔn)的剖面圖（如圖7）。

4 建立信息化危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

陳洪凱等［3］對(duì)危巖分類識(shí)別系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，引導(dǎo)危巖研究進(jìn)入信息化時(shí)代，使得危巖分類判定變得便捷、高效；董秀軍等［11］研發(fā)了Polyworks地質(zhì)應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)程序。基于前人對(duì)危巖信息化研究的啟發(fā)，現(xiàn)依據(jù)三維激光掃描技術(shù)對(duì)建立信息化危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)作初步研究，討論對(duì)數(shù)據(jù)后處理軟件Polyworks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)并建立信息化危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的理論可行性。

圖7 某大型危巖體三維數(shù)據(jù)與剖面圖Fig．7 Three-dimensional figure and geological profile of a large perilous rock

危巖體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式中的不定量參數(shù)主要有危巖體的類型、幾何尺寸、跡長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)、巖體參數(shù)等［3］。

危巖類型和巖體參數(shù)屬于少變量，可以用手動(dòng)輸入或選取的方式錄入；危巖的幾何尺寸、跡長(zhǎng)及主控結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)是常變量，不同危巖取值不同，利用三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確獲取危巖幾何尺寸、跡長(zhǎng)等已在文中闡述，且通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)操作快速、精準(zhǔn)，而危巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的確定是個(gè)難點(diǎn)，一般選用經(jīng)驗(yàn)范圍值，但穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)面參數(shù)相當(dāng)敏感，利用“經(jīng)驗(yàn)范圍值＋定量計(jì)算”相結(jié)合的方法將使參數(shù)賦值更加合理。Barton的JRC-JCS模型［12］是結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)理論計(jì)算的現(xiàn)場(chǎng)最簡(jiǎn)便方法，在Barton理論公式中最難確定的是結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC，利用三維激光掃描技術(shù)可獲取結(jié)構(gòu)面起伏輪廓曲線，參考黃潤(rùn)秋等［13－14］等對(duì)JRC的量化研究公式，可確定結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)，進(jìn)而用定量的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)。

因此，危巖穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算中不確定參數(shù)在三維激光掃描技術(shù)的輔助下可基本完成錄入，可見(jiàn)對(duì)三維激光掃描技術(shù)后處理軟件進(jìn)行二次軟件開(kāi)發(fā)，建立信息化危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)從理論上是可行的。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，相信危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)入信息化時(shí)代即將到來(lái)。

5 結(jié) 論

通過(guò)總結(jié)三維激光掃描技術(shù)在西南高邊坡危巖調(diào)查中的應(yīng)用，獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）三維激光掃描技術(shù)的高效率、高精度、遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查難度大、危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)；

（2）三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)危巖幾何尺寸、跡線等量取，控制性節(jié)理產(chǎn)狀測(cè)量，高精度地質(zhì)剖面圖等；此外，還提出了二維與三維技術(shù)相結(jié)合的危巖定位新方法；

（3）首次提出利用三維激光掃描技術(shù)建立信息化危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的思路，并從理論上論證了其可行性；

（4）三維激光掃描技術(shù)正處于發(fā)展中階段，存在掃描距離和范圍有限、激光不敏感物源等不足，但隨著科技的發(fā)展，缺點(diǎn)將不斷被完善，應(yīng)用前景也會(huì)更加廣闊。

［1］ 黃潤(rùn)秋．中國(guó)西南巖石高邊坡的主要特征及其演化［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（3）：292－297．（HUANG Run-qiu．Main Characteristics of High Rock Slopes in Southwestern China and Their Dynamic Evolution［J］．Advance in Earth Sciences，2005，20（3）：292－297．（in Chinese））

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［13］黃潤(rùn)秋．結(jié)構(gòu)面起伏度的定量研究——擬合的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1992，（6）：6－10．（HUANG Run-qiu．A Quantitative Study of Undulations of Discontinuities［J］．Hydrogeology＆Engineering Geology，1992，（6）：6－10．（in Chinese））

［14］吉 鋒．硬性結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)量化確定及其工程應(yīng)用［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37（3）：84－86．（JI Feng．Quantization Research and Project Application of Roughness Coefficient of a Rigid Structure Plane［J］．Hydrogeology＆Engineering Geology，2010，37（3）：84－86．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Discussion on the App lication of 3-D Laser Scanning Technology to the Investigation of High Slop Perilous Rockmass

HUANG Jiang1，SHIYu-chuan1，JIFeng1，DUANWei-feng2
（1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2．Hydrochina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China）

Traditional approach of investigating high slope perilous rock is very difficult and dangerous．Three-dimensional laser scanningwith high efficiency，high accuracy and remote non-contactmeasurementmakes up the deficiencies of traditional geological investigation methods．By 3-D laser scanning，traditional geological investigation process can be optimized．Moreover，with the development of indoor data processing softwares，quantitative analysis on perilous rocks can be conducted，for instance，themeasurement of geometric dimension of perilous rock，highly accurate real tangent geologic profile，measurement of structural plane occurrence，trace length，connectivity rate and spacing，aswell as the acquisition of space coordinate and the determining of perilous rock body boundary．In addition，by redeveloping post processing software for 3-D laser scanning and establishing rock stability assessment system，the feasibility has been proved in theory．Thus it can be seen，3-D laser scanning has broad application and prospect in geological exploration．

perilous rockmass；high slope；3-D laser scanning；diversified application

TB874；TU413．61

A

1001－5485（2013）11－0045－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．010

2013－05－23；

2013－06－28

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索課題（SKLGP2011Z009）

黃 江（1988－），男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要研究地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、巖土工程，（電話）18981858579（電子信箱）jgsdxhj＠163．com。