彭景顥 李少達(dá) 張博

摘 要：地面三維激光掃描技術(shù)以其高精度、連續(xù)性和非接觸的特點(diǎn)，能夠快速安全地獲取大范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該文在滑坡地表的變形監(jiān)測中使用經(jīng)過配準(zhǔn)的高分辨率地面LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)建表面模型，利用穩(wěn)定區(qū)域作基準(zhǔn)進(jìn)行多期數(shù)據(jù)比對得到了滑坡地表形變區(qū)域的整體變形結(jié)果；能夠準(zhǔn)確反映出整體形變趨勢。該文認(rèn)為地面三維激光掃描技術(shù)在滑坡體監(jiān)測中具有配準(zhǔn)誤差影響監(jiān)測精度和激光點(diǎn)云受植被影響的局限性，但其野外數(shù)據(jù)采集快速和人為干擾少的特點(diǎn)能夠提高監(jiān)測效率和監(jiān)測精度能夠促使該技術(shù)廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測預(yù)警工作。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描 滑坡監(jiān)測 整體變形監(jiān)測 點(diǎn)云配準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0008-04

Terrestrial Laser Scanning Technique to Monitor Surface Landslide Overall Deformation

Peng Jinghao1 Li Shaoda1，2 Zhang Bo1

（1.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology；2.Key Laboratory of Geosciences Spatial Information Technology，Ministry of Land and Resources of the P.R.China， Chengdu， 610059，China）

Abstract：Terrestrial laser scanning technique for its high accuracy， continuity and non-contact， can obtain a wide range of point cloud data quickly and securely. Through the registration， high-resolution terrain LiDAR data can construct triangles model for deformation monitoring of landslide surface. Using stable data as a reference to compare multitemporal data obtained the overall deformation results and trend. This paper argues that registration error and effect of vegetation makes TLS limit， but its rapid data acquisition and less human interference characteristics can improve the efficiency of monitoring and monitoring precision. TLS technology will be widely used in geological disaster monitoring investigation and warning.

Key Words：Terrestrial laser scanning；Landslide Monitoring；Overall deformation monitoring；Point cloud registration

近年來地震頻發(fā)，高陡邊坡和崩塌、滑坡體越來越受到關(guān)注。在自然條件和一定人為破壞的影響下發(fā)生垮塌產(chǎn)生的危害以及后續(xù)產(chǎn)生的次生危害已為人們所熟知。對于已發(fā)生垮塌的滑坡體的研究和對已發(fā)生形變且垮塌后可能造成損失的滑坡體的監(jiān)測都具有重大意義[1]。及時(shí)且準(zhǔn)確地對滑坡變形體進(jìn)行監(jiān)測能夠掌握滑坡地表形變的方式和形變量，輔助預(yù)測變形趨勢。目前，對于滑坡體的變形監(jiān)測已有多種方式和手段。最多見的是在滑坡體關(guān)鍵部位布設(shè)人工監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)，采用全站儀或GPS獲取監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)值。這樣的方法能夠得到精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，能夠靈敏地捕捉到點(diǎn)位的變化信息，獲取水平位移、垂直位移及變化速率。同時(shí)還需進(jìn)行滑坡體表面傾斜測量和地表裂縫監(jiān)測。這些方法都缺乏整體變形資料。而滑坡變形的諸多細(xì)節(jié)變化對正確的變形分析有著重要作用。況且人工特征點(diǎn)的布設(shè)受到滑坡體的地形地貌和地質(zhì)條件的影響且具有一定的危險(xiǎn)性。對于變化較快較大的滑坡體，人工布設(shè)特征點(diǎn)還容易遭到破壞。

滑坡體變形監(jiān)測中三維激光掃描技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)了由單點(diǎn)到面的監(jiān)測，可大范圍獲取高分辨率的海量數(shù)據(jù)，在靜態(tài)形狀測量中已獲得了成功的應(yīng)用。然而，當(dāng)前使用地面三位激光掃描（Terrestrial laser scanning， TLS）進(jìn)行大面積滑坡整體變形監(jiān)測的并不多見，而是多用于快速獲取滑坡區(qū)域地形圖和小范圍具有穩(wěn)定參考點(diǎn)的滑坡區(qū)域的變形監(jiān)測。利用TLS來對滑坡體進(jìn)行監(jiān)測具有重大意義，尤其是對于需要大范圍快速采集數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)地區(qū)。徐進(jìn)軍等人利用TLS獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在其上的自然特征地物、地塊上通過“重心法”和“擬合法”計(jì)算得到均勻分布于整個(gè)變形區(qū)域的大量監(jiān)測點(diǎn)以估算整體的形變[2]。國內(nèi)TLS技術(shù)在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域的研究成果較少，整體滯后于國外，但正在逐步發(fā)展。

1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

在不同時(shí)期對同一區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描，能夠使用相應(yīng)的點(diǎn)云模型進(jìn)行比對得到地表形變信息[3]。通過三維激光掃描獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理以獲得可以用于研究和分析的點(diǎn)云。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的編輯、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、及數(shù)據(jù)簡化與合并以及點(diǎn)云濾波。經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理之后能夠得到具有統(tǒng)一坐標(biāo)系無冗余數(shù)據(jù)和噪聲影響的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，點(diǎn)云配準(zhǔn)至關(guān)重要。采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候，往往由于單幅數(shù)據(jù)無法覆蓋整個(gè)區(qū)域，需要進(jìn)行多次掃描或設(shè)置多個(gè)掃描測站得到多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)。每次掃描基于不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了完整地重構(gòu)地表形狀，需將所有基于不同視角獲取的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，這個(gè)過程就稱為點(diǎn)云配準(zhǔn)。

點(diǎn)云配準(zhǔn)包括兩個(gè)步驟：對包含重疊區(qū)域的兩幅點(diǎn)云采用兩視配準(zhǔn)的方法在重疊區(qū)域選取3至5對同名點(diǎn)進(jìn)行初步配準(zhǔn)；采用最近鄰點(diǎn)迭代算法（Iterative Closest Points，ICP）進(jìn)行精確配準(zhǔn)，通過迭代獲得均方差最小的最優(yōu)化配準(zhǔn)結(jié)果。

對于多期的點(diǎn)云模型進(jìn)行比對時(shí)，選取數(shù)據(jù)采集時(shí)多余觀測測的穩(wěn)定區(qū)域作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，采用點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法使用多期穩(wěn)定區(qū)域間的空間變換關(guān)系將多期點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，無需額外設(shè)置固定掃描站。

2 滑坡監(jiān)測

三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)使用加拿大Optech公司生產(chǎn)的ILRIS-3D儀器采集得到研究區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。研究區(qū)域?yàn)槲驳V區(qū)人工堆積體的一片滑坡地表區(qū)域，位于西昌市太和鎮(zhèn)，太和鐵礦尾礦區(qū)。堆積體為當(dāng)?shù)夭傻V企業(yè)進(jìn)行礦產(chǎn)開采后將當(dāng)前技術(shù)、條件下無法有效利用的部分礦渣，與一些沙土、巖屑一道人為集中堆積而形成。堆積體變形發(fā)展緩慢，經(jīng)過了數(shù)十年的堆積。研究區(qū)域面積較大，無法一次掃描獲取變形區(qū)域完整的數(shù)據(jù)，合理設(shè)置掃描測站以覆蓋整個(gè)滑坡區(qū)域，同時(shí)相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有10%以上的重疊區(qū)域以保證多幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確配準(zhǔn)。因此一共設(shè)置五個(gè)掃描測站進(jìn)行分塊掃描，經(jīng)過拼接能夠得到完整的研究區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)采用了于2014年4月、5月和10月對尾礦去堆積體進(jìn)行了三維激光掃描獲取的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的部分區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法多是對關(guān)鍵部位布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行局部人工觀測，配合裂縫觀測綜合分析滑坡的趨勢，主觀性強(qiáng)，人為干擾多。應(yīng)用TLS開展邊坡調(diào)查實(shí)現(xiàn)了由單點(diǎn)到面的監(jiān)測，可以通過設(shè)置合理的空間采樣間距，大范圍地獲取海量的高分辨率數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷形變區(qū)域、形變趨勢和形變量[4]。使用TLS能夠大幅提高野外數(shù)據(jù)采集的速率和準(zhǔn)確性，使得監(jiān)測效率提高且由于其遠(yuǎn)距離獲取的特性使得野外工作的安全系數(shù)得以提高。

地面三維激光掃描儀獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪和配準(zhǔn)，合并為一幅點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將前一期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建表面模型作為參考，將后一期的數(shù)據(jù)作為比較數(shù)據(jù)來進(jìn)行整體比對，并用色譜圖直觀地表現(xiàn)出來。通過比對的結(jié)果可以清楚地知道邊坡上每個(gè)區(qū)域的變動(dòng)情況?？梢钥闯?，4～5月間變動(dòng)區(qū)域較小，第三期的比對結(jié)果表明變動(dòng)區(qū)域明顯增大且變化更大，可能與6～9月之間西昌地區(qū)頻繁降雨有關(guān)。整體上變化的趨勢是一致的，整個(gè)堆積體部分向外滑移。

4 結(jié)語

綜上所述，TLS技術(shù)能夠在滑坡體監(jiān)測中得到整體的形變結(jié)果，與以往的點(diǎn)監(jiān)測相比，三維激光掃描儀的單點(diǎn)精度低于全站儀和GPS，但通過大密度的點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建的表面模型接近真實(shí)表面。實(shí)現(xiàn)了面上監(jiān)測，更客觀直接地反映出變化區(qū)域和變化量，更夠準(zhǔn)確反映出形變趨勢。地面三維激光掃描技術(shù)作業(yè)過程中人為干預(yù)少，尤其是在數(shù)據(jù)的采集階段，這極大地減少了人為因素造成的誤差，而其本身的測量精度可達(dá)毫米級(jí)，這樣采集的數(shù)據(jù)在后期處理和監(jiān)測工作中具有很大的優(yōu)勢。在危險(xiǎn)區(qū)域，遠(yuǎn)距離非接觸式的激光測量方式，可以快速掃描獲取地表的三維坐標(biāo)信息，避免了滑坡地表的不穩(wěn)定的潛在危險(xiǎn)。

使用該文的方法進(jìn)行滑坡體監(jiān)測，點(diǎn)云配準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的誤差是點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差的主要來源。激光點(diǎn)云掃描時(shí)是對目標(biāo)區(qū)域的等間距采樣，多次對同一區(qū)域掃描無法獲得同一掃描點(diǎn)，因此多期數(shù)據(jù)就不存在真正意義上的同名點(diǎn)對。該文的方法采用選取特征地物點(diǎn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，選取的也不是真正的同名點(diǎn)。經(jīng)過ICP算法的精確配準(zhǔn)只能保證擬合在一定限差范圍內(nèi)，配準(zhǔn)精度影響多期數(shù)據(jù)比對結(jié)果的精度。在植被茂盛的區(qū)域，點(diǎn)云數(shù)據(jù)受植被影響大，無法測量到地形表面，將對結(jié)果精度產(chǎn)生影響。

目前使用地面三維激光掃描技術(shù)對滑坡體的監(jiān)測正處在一個(gè)發(fā)展階段，技術(shù)上還存在一些不足，但隨著技術(shù)的逐步成熟這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)更好地服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測預(yù)警工作中。完善TLS監(jiān)測系統(tǒng)，提高監(jiān)測精度以及與其他新測繪技術(shù)的相結(jié)合仍是TLS技術(shù)與滑坡監(jiān)測的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 許強(qiáng)，裴向軍，黃潤秋，等.汶川地震大型滑坡研究[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 徐進(jìn)軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理[J].巖土力學(xué)，2010（7）：2188-2191，2196.

[3] G. TEZA， A. GALGARO， N. ZALTRON， et al.Terrestrial laser scanner to detect landslide displacement fields： a new approach[J].International Journal of Remote Sensing.2007（No.15-16）.

[4] 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)測技術(shù)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015（3）：128-134.

[5] 徐源強(qiáng)，高井祥，張麗，等.地面三維激光掃描的點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差研究[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2011（2）：129-132.

[6] 鄧建華.地表變形測量技術(shù)在滑坡穩(wěn)定性監(jiān)測中的應(yīng)用研究與實(shí)例分析[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.

[7] 羅德安，朱光，陸立，等.基于3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測[J].測繪通報(bào)，2005（7）：40-42.