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，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

?

三維激光掃描在滑坡災(zāi)害變形中的監(jiān)測應(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，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

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

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量技術(shù)，是測繪領(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月雨季進行數(shù)據(jù)采集，并對多次采集的滑坡體數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)滑坡在強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“三維實景復(fù)制技術(shù)”，它可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描操作，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)等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速重構(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，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作(如測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等)，它是各種正向工程工具的對稱應(yīng)用工具，即逆向工程工具。所有采集的三維點云數(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，其原理是激光測距，并在空間形成橫向和縱向的精確測量，計算出被測量點與掃描儀中心的相對位置，并得出獨立坐標(biāo)(X,Y,Z)，給予每個坐標(biāo)一個點的圖形符號，在計算機中以點符號顯示，形成云狀三維模型，故而稱為點云數(shù)據(jù)(點云)，可以稱其為多點式的全站儀。

GLS-2000三維激光掃描技術(shù)參數(shù)如下：

1) 掃描距離：500 m；

2) 視場角：360°×270°；

3) 相機參數(shù)：5×106像素×2個 (170°/8.9°)；

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

Topcon GLS-2000特點如下：

1) 一體化設(shè)計；

2) 全景掃描；

3) 內(nèi)置雙相機；

4) 可掃描棱鏡；

5) 二次回波；

6) 內(nèi)置兩種激光；

7) 自動量測儀器高；

8) 支持多種點云拼接方式；

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)測采集

滑坡位于北京市豐臺區(qū)王佐鎮(zhèn)西莊店村后甫營路東北側(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，距離后甫營村僅280 m。滑坡體上方為山坡林地，下方為千靈山風(fēng)景區(qū)的停車場(目前未使用)?；戮嚯x王佐鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府約7.5 km，有后甫營路、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。

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

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

設(shè)置掃描密度及掃描范圍進行點云數(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)較少與滑動壁平行裂縫，后緣裂縫有向上發(fā)展趨勢。

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，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)化嚴重，為中風(fēng)化—強風(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，韻律細微，巖石構(gòu)造節(jié)理、劈理發(fā)育，易破裂，沿層面剝離嚴重?；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、點云數(shù)據(jù)生成DEM

利用I-SITE Studio軟件進行點云數(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滑坡體掃描時架設(shè)在已知控制點上，保證了強制對中，同時掃描儀具有后視定向功能，因此保證了每期數(shù)據(jù)無需進行點云數(shù)據(jù)拼接而在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中。

1. 虛擬量測

在點云數(shù)據(jù)或DEM中量測滑坡體的長度、寬度、面積等，并進行滑坡體體積估算，如圖3所示。

圖3　滑坡體寬度解譯

2. 數(shù)據(jù)對比

通過人工簡易監(jiān)測，6日內(nèi)滑坡后緣部分裂縫變形量為28和66 mm。同時運用Topcon三維激光掃描儀于7月25日及8月1日，對滑坡體開展了2期三維激光掃描測量，通過2期數(shù)據(jù)對比分析，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　滑坡形變對比分析監(jiān)測圖

3. 滑坡體等高線提取

通過分析點云數(shù)據(jù)，對滑坡體等高線進行解譯提取(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二級構(gòu)造單元的八寶山—高麗營斷裂帶。該斷裂帶由南大寨—八寶山斷裂和黃莊—高麗營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進行范圍確定；縱向(地心方向)沿推測滑動面走向，高于滑動面的體積為滑坡體滑動預(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)光進行三維重建。三維掃描技術(shù)也是一種將測量從傳統(tǒng)的單點測量提升到面測量的革命性技術(shù)，其根據(jù)載體不同包括機載、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)，并進行三維分析。將掃描的三維模型與地質(zhì)資料數(shù)據(jù)進行疊加，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：

[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].測繪通報， 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. 點云檢測技術(shù)在高速公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 城市勘測,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)