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)
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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)。
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(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)