王慶國，趙 海，李健平

(1. 武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065; 2. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010； 3. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

滑坡災(zāi)害對電站的安全運(yùn)行，對滑坡區(qū)域及附近區(qū)域的人員和財(cái)產(chǎn)安全都會帶來重大威脅，并可能伴隨交通中斷和堰塞湖等多種次生災(zāi)害。因此，在水電站的施工建設(shè)和運(yùn)營管理中，對庫區(qū)坡體進(jìn)行實(shí)時有效監(jiān)測是一項(xiàng)十分重要的工作。

傳統(tǒng)的基于全站儀和GNSS的滑坡監(jiān)測方式是通過在滑坡體上一些關(guān)鍵位置布置一定數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的位置變化判斷滑坡體的運(yùn)動變化。這種方式具有較高的監(jiān)測精度，但是監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量有限，難以全面覆蓋滑坡體表面。而且，由于滑坡本身存在重大安全威脅，監(jiān)測點(diǎn)及其上的人員和設(shè)備面臨較大的風(fēng)險[1-3]。

與傳統(tǒng)的基于全站儀和GNSS等監(jiān)測手段相比，三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)在不接觸滑坡體的情況下，利用激光測距的原理，記錄被掃描物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和RGB等信息，可快速提供掃描體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即時性獲取掃描體的高分辨率和高精度的數(shù)字地形，構(gòu)建出掃描體的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，能快速反映滑坡體的整體變化趨勢，具有高效率和高精度的獨(dú)特測量優(yōu)勢。相對而言，三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)彌補(bǔ)了關(guān)鍵點(diǎn)表觀監(jiān)測法等常規(guī)監(jiān)測技術(shù)存在的費(fèi)時、低效、監(jiān)測盲區(qū)多等不足，在滑坡監(jiān)測中得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-7]。

本文結(jié)合云南瀾滄江上某水電站滑坡監(jiān)測的實(shí)際需求，在滑坡變形區(qū)域以地面三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)為主，同時在一些因掃描視角和遮擋導(dǎo)致的掃描盲區(qū)，輔以無人機(jī)攝影測量技術(shù)，通過全面的信息采集和處理，分析滑坡的變形特性及趨勢，為電站的安全運(yùn)營和后續(xù)的路口保通設(shè)計(jì)方案提供全面準(zhǔn)確的工程基礎(chǔ)資料。

1 監(jiān)測區(qū)的基本狀況

被監(jiān)測的滑坡體位于水電站的水庫右岸K72+800—K73+200范圍內(nèi)的沿江公路上、下邊坡，自2018年9月下旬以來逐漸發(fā)生較大變形。自10月15日起，在K72+850、K72+930、K73+100等處上邊坡出現(xiàn)頻繁的間歇性小規(guī)模坍塌，對應(yīng)的下邊坡也出現(xiàn)坍塌。至10月20日，上述幾處庫岸在沿江公路上邊坡開挖開口線以上發(fā)生沉降塌滑，K72+850處公路路基已不足3 m，無法保障通行。鑒于庫區(qū)右岸K72+800—K73+200范圍庫岸沉降變形加劇，滑坡體體積較大，且離電站僅6 km左右，水庫目前處于較高水位運(yùn)行，若滑坡體整體塌滑入庫區(qū)，將會對大壩及電站運(yùn)行帶來較大的安全隱患。為確保水電站運(yùn)行安全，需對該處滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測、地質(zhì)勘查和保通治理。

2 監(jiān)測方案

2.1 基本作業(yè)步驟

綜合考慮監(jiān)測區(qū)的實(shí)際地形地貌和任務(wù)要求，監(jiān)測中以三維激光掃描儀為主，輔以無人機(jī)、測量機(jī)器人等進(jìn)行外業(yè)工作。首先通過控制測量、三維激光掃描、無人機(jī)攝影測量獲取測區(qū)點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)。然后，利用專業(yè)軟件CloudCompare對獲取的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并經(jīng)過點(diǎn)云去噪及植被過濾等步驟，生成監(jiān)測區(qū)當(dāng)期的完整地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后建立地表三角網(wǎng)，經(jīng)峰值剔除、孔洞填充等處理，并生成當(dāng)期數(shù)字地表模型。監(jiān)測分析時，以第1期監(jiān)測數(shù)據(jù)生成的地表模型作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與后面各期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以實(shí)現(xiàn)對滑坡體區(qū)域的整體監(jiān)測分析。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 監(jiān)測設(shè)備

為滿足本項(xiàng)目高精度、長距離、全方位的監(jiān)測要求，外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀獲取激光點(diǎn)云、大疆無人機(jī)Inspire-1采集序列影像。

2.2.2 監(jiān)測點(diǎn)與關(guān)鍵監(jiān)測剖面的布置

為了保證監(jiān)測精度，并對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對定向，在滑坡區(qū)域事先布置固定監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)與固定靶標(biāo)點(diǎn)作為變形監(jiān)測點(diǎn)。

在滑坡體上運(yùn)動明顯及產(chǎn)生斷面的位置，沿位移主要方向布置10條平行剖面，沿瀾滄江上游至下游方向依次編號，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。監(jiān)測剖面布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測剖面

2.2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)主要采集3類數(shù)據(jù)。第1類是滑坡體監(jiān)測區(qū)的地面激光三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先在選定的固定測站點(diǎn)上架設(shè)好三維激光掃描儀，然后根據(jù)任務(wù)對儀器進(jìn)行一些基本設(shè)定，由儀器自動采集與儲存點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描完成后實(shí)時檢查數(shù)據(jù)是否完整無誤，并進(jìn)行初步質(zhì)量分析，查缺補(bǔ)漏，經(jīng)確認(rèn)無誤后關(guān)閉掃描儀。第2類是測量機(jī)器人數(shù)據(jù)，通過測量機(jī)器人對靶標(biāo)進(jìn)行觀測獲取。還有一類就是無人機(jī)影像數(shù)據(jù)。由于激光掃描儀掃描范圍受限于地形，存在地表物體的自遮擋，因此，采用無人機(jī)對整個山體進(jìn)行大范圍的傾斜拍攝，以獲得滑坡整體的數(shù)據(jù)，作為地面激光掃描數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

對每期激光掃描數(shù)據(jù)，人工選取靶標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)作為參考基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。分別在待配準(zhǔn)點(diǎn)云及參考點(diǎn)云上選取4對以上同名點(diǎn)，計(jì)算出變換矩陣，將待配準(zhǔn)點(diǎn)云坐標(biāo)變換到參考點(diǎn)云上，后面再將每期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到第1期數(shù)據(jù)坐標(biāo)基準(zhǔn)上[8-11]。

對于無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)，通過在地面激光點(diǎn)云中人工選取同名點(diǎn)作為控制點(diǎn)，并將其放入影像空三解算過程中平差，從而實(shí)現(xiàn)對攝影測量點(diǎn)云的絕對定向，以獲取統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)的地面激光點(diǎn)云與攝影測量點(diǎn)云。經(jīng)過計(jì)算，該點(diǎn)云的精度達(dá)到5 cm，可滿足檢測要求。

2.3.2 數(shù)據(jù)去噪

受數(shù)據(jù)采集區(qū)地物分布、地貌形態(tài)和周邊環(huán)境的影響，激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)中存在一些不清晰的噪聲點(diǎn)，給數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和建模都增加了難度和不必要的工作量。因此，可以借助軟件和人工交互的方法，剔除數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)。

2.3.3 模型重建

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度有限，直接基于點(diǎn)云進(jìn)行變形比較誤差較大。因此，在獲取第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，基于Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建原則，利用第1期點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建mesh模型。然后經(jīng)峰值剔除、孔洞填充等處理，生成掃描區(qū)域的數(shù)字表面模型。以第1期監(jiān)測數(shù)據(jù)生成的數(shù)字表面模型作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與后面各期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而實(shí)現(xiàn)對滑坡體區(qū)域的整體監(jiān)測[12-15]。

截至目前，通過監(jiān)測已成功獲取5期監(jiān)測區(qū)及周邊環(huán)境的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)處理，一方面將影像數(shù)據(jù)和激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，得到了監(jiān)測區(qū)全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；另一方面以第1期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成了庫區(qū)的三維地表模型，以作為后續(xù)形變監(jiān)測對比分析的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果與分析

3.1 基于地表模型的整體分析

以第1期數(shù)據(jù)成果生成的地表模型作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將后續(xù)監(jiān)測得到的成果與其進(jìn)行對比分析，可得到監(jiān)測區(qū)整體變形的分布情況，如圖2所示。

圖2 整體變化對比

圖2中，橫坐標(biāo)表示滑坡區(qū)東西方向，縱坐標(biāo)表示南北方向。經(jīng)過整體分析和比較幾期監(jiān)測數(shù)據(jù)成果發(fā)現(xiàn)，變形較大的區(qū)域主要集中于東西向-200～+100 m、南北向-100～-400 m的區(qū)域，包括滑坡凹陷較大的區(qū)域和堆積凸起較明顯的區(qū)域，其周邊另有少量零星分布的明顯滑坡。

由于監(jiān)測距離和激光點(diǎn)云入射角過大，無法完全剔除植被等的干擾所帶來的監(jiān)測誤差。這部分區(qū)域主要位于監(jiān)測區(qū)1500 m高程以上，接近山體頂部，植被覆蓋多，監(jiān)測距離超過1100 m，地形復(fù)雜。

3.2 剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析

在重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，進(jìn)一步采集各剖面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在各監(jiān)測剖面上，每間隔一定高程提取一個采樣點(diǎn)，各剖面取不少于5個采樣分析點(diǎn)。從第2期開始，每期以前一期高程數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行變形分析。以第1號和第2號剖面為例，其監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。其中，帶負(fù)號的變形表示凹陷變形，其他為凸起變形。

表1 剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文方法對剖面采樣點(diǎn)高程的變化監(jiān)測精度可達(dá)毫米級，實(shí)現(xiàn)了高精度的監(jiān)測分析。綜合各剖面幾期的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，各剖面都在不同程度地以不同速率發(fā)生變形。高程較大的區(qū)域以滑坡和沉降變形為主，表現(xiàn)為區(qū)域凹陷；而高程較低的區(qū)域則主要是高處滑坡體的堆積?？傮w來說，監(jiān)測區(qū)內(nèi)在山體斷裂面及其下側(cè)變形較大，其他部分變形較小。

4 結(jié) 語

本文采用地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)相結(jié)合的滑坡監(jiān)測方法，一方面，避免了傳統(tǒng)的接觸式監(jiān)測方法存在的安全風(fēng)險和采樣監(jiān)測的片面性；另一方面，通過將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，既充分利用了兩種數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，保證了數(shù)據(jù)的完備性，實(shí)現(xiàn)了對滑坡體的全面監(jiān)測，又保證了監(jiān)測的精度和效率，具有很好的適用性。