田鵬

（新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

滑坡是自然災害中危害性大且頻發(fā)的事件，會危及人民生命和財產安全，給國民經濟帶來嚴重損失。采用合理的監(jiān)測手段來預測滑坡發(fā)生時間，提前做好預防措施，可以盡可能地減少乃至防止滑坡造成的損失，達到預防滑坡災害的效果。因此，開展滑坡變形監(jiān)測，對了解滑坡變形狀況具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，我國有不少學者對滑坡監(jiān)測做出了一定貢獻，例如，褚宏亮對地形構建數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM），來推斷滑坡形變趨勢和形變量[1]。劉錦程通過建立滑坡體高精度DEM，對土方量進行比較，從而對滑坡變形進行分析[2]。劉昌軍運用改進后的基于八叉樹的Hausdorff 距離算法，實現(xiàn)了兩期點云數(shù)據(jù)的直接比較[3]。姚艷麗等通過實驗驗證了灰色模型應用于滑坡控制點三維坐標位移預測的適用性[4]。郭獻濤等提出了用最小二乘三維表面匹配算法來獲取滑坡變形信息[5]。這一系列研究都對滑坡變形監(jiān)測做出了貢獻，但這些方法與三維激光掃描技術相比，在數(shù)據(jù)獲取速度、監(jiān)測點包含信息等方面有著質的差別。利用三維激光掃描技術可以快速獲取大量滑坡表面點云，經過數(shù)據(jù)處理及建模后可以得到滑坡體地表的整體變化信息，可以更直觀地觀測滑坡體變化[6]。

2 滑坡變形監(jiān)測方法分析

2.1 全站儀測量技術的變形監(jiān)測方法

基于全站儀測量技術的變形監(jiān)測方法，通常是指利用常規(guī)的光學或者電子測量儀器，采用周期性的大地測量技術來測量角度、距離、高差等數(shù)據(jù)，再通過構網(wǎng)法、交會法、極坐標法、測線法等，監(jiān)測滑坡體的位移，進而得到變形的方向、速度和加速度等數(shù)據(jù)。監(jiān)測精度最高能達到毫米級，符合變形監(jiān)測要求，是目前應用最廣泛的測量方法之一。

2.2 精密近景攝影測量變形監(jiān)測方法

利用精密近景攝影測量變形監(jiān)測方法，將監(jiān)測點固定設置在待監(jiān)測的滑坡體周圍穩(wěn)定區(qū)域，分時段對監(jiān)測點進行測量，經過專業(yè)軟件分析處理后得到變形監(jiān)測點的三維坐標，最后通過分析監(jiān)測點不同時期的坐標變化差值來得到滑坡的情況。這一方法不需要接觸物體，適合各種惡劣環(huán)境，但設備昂貴，而且監(jiān)測質量不佳。

2.3 GPS 變形監(jiān)測方法

在滑坡體表面任何地點、任何時刻，用接收機在高度角200 以上觀測到4 ～5 顆衛(wèi)星發(fā)射的信號，通過接收機體來測定目前點位至衛(wèi)星的距離，經技術處理后，得到待測點位的三維坐標。利用GPS 變形監(jiān)測方法可以全天候進行監(jiān)測，同時可測定點的三維位移，測量精度高，但是點位選擇的自由度較低，且算法復雜。

2.4 基于三維激光掃描技術的變形監(jiān)測方法

三維激光掃描技術是一種非接觸式測量方法，也是快速有效獲取體表數(shù)據(jù)的方式之一，可利用激光掃描獲取真實可靠的數(shù)據(jù)，直觀反映滑坡體表面的實時形態(tài)。該方法測量精度高，測量范圍廣，可以更加直觀地呈現(xiàn)滑坡體的變形情況。

3 三維激光掃描技術基本原理

三維激光掃描技術運用脈沖測距法來測量被測點與觀測站之間的距離，然后，再測量橫向觀測角和縱向觀測角，得到相應數(shù)據(jù)后通過公式計算便可得出任意測量點的三維坐標。三維激光掃描工作原理如圖1所示。

圖 1 三維激光掃描工作原理

4 點云數(shù)據(jù)的處理

4.1 去除噪聲

實際測量過程中，因受到被觀測體表面環(huán)境復雜、測量儀器精度、工作人員的經驗等因素影響，會產生一些測量誤差點，影響后續(xù)的模型建立。因此，為了減少誤差，需要盡可能地去除這些噪聲點。通過肉眼判定，可以直接刪除易判別的異常點和散亂點；一般情況下，激光掃描儀的高度不變，通過與參照的高度值進行對比，刪除高度偏差較大的點。

4.2 點云拼接

點云拼接可以通過數(shù)據(jù)或者圖形進行。通過數(shù)據(jù)拼接，一般要求各點云間有明顯特征，即在掃描的點云中有同名點的存在。如果特征不明顯，可以在測量目標上人工粘貼一些特征點，如標靶等。通過圖形拼接，要對點云的局部造型進行處理，然后再拼接，但是通常情況下局部造型比較難處理，拼接效率太低。拼接完成后還需去掉各點云重疊的冗余數(shù)據(jù)，才能得到一個完整點云。

4.3 點云濾波

點云濾波主要有曲率濾波、平均濾波和高斯濾波三種方法。曲率濾波法的關鍵是分析曲率的變化，通過變化來選取數(shù)據(jù)，在曲率變化大的地方多選取數(shù)據(jù)，在曲率變化小的地方盡量少選取數(shù)據(jù)，這樣就可以過濾掉大部分點位。平均濾波法只需取各個點的平均值。高斯濾波法相對復雜，需要把指定的區(qū)域內點位進行高斯分布，這樣影響效果較小，能比較好地保留數(shù)據(jù)原貌。

5 滑坡變形監(jiān)測與分析

本文以橫琴小區(qū)的小區(qū)域滑坡作為研究對象，在小區(qū)域的滑坡體上選取4 個點位來安置觀測裝置，分兩期采集滑坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)，將各個站點采集的數(shù)據(jù)進行坐標拼接，然后處理有組織的點云數(shù)據(jù)，對得出的兩期數(shù)據(jù)進行對比，并分析滑坡體的變形情況。

將三維激光掃描儀架設在各個測量點上，然后嚴格按照相關規(guī)范要求進行對中、整平。對各監(jiān)測點進行監(jiān)測時，首先選取一控制點作為后視點進行定向。為避免三維激光掃描儀在測量中存在誤差，觀測一次后要取下儀器，再按照以上步驟重復對各點進行觀測，以消除測量數(shù)據(jù)誤差。測試過程中除需要消除儀器本身存在的誤差外，還需要避免測量中的定向中誤差，在同一站上連續(xù)進行兩次后視定向，定向中使用同一個標靶且嚴格按照要求重置于后視點上，對各點觀測兩次，采集監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，并進行處理。

本文對測量標靶精確掃描后提取了標靶中心的點位坐標，統(tǒng)計結果如表1 所示。從兩次滑坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，X方向上最小誤差絕對值為0mm，最大誤差絕對值為5mm；Y方向上最小誤差絕對值為1mm，最大誤差絕對值為2mm；高程方向上最小誤差絕對值為1mm，最大誤差絕對值為6mm，點位中誤差為 3.49mm，高程中誤差為5.01mm。兩次觀測獲取的數(shù)據(jù)存在一定誤差，主要是由儀器對中誤差、儀器量取誤差、定向誤差和部分系統(tǒng)誤差等引起的。通過三維激光掃描技術對小區(qū)域滑坡體表面進行測量分析，可知該區(qū)域滑坡體3D 滑坡值標準差遠未達到預警值。因此，該小區(qū)滑坡體在監(jiān)測期間處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有蠕動及快速滑動現(xiàn)象。

表1 小區(qū)域滑坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)《滑坡、崩塌監(jiān)測測量規(guī)范》的要求，滑坡體監(jiān)測點的施測精度必須滿足表2 中各監(jiān)測等級的要求。

表2 滑坡體監(jiān)測點的施測精度

通過與表2 中各等級滑坡監(jiān)測點的施測精度進行對比，可以看出，本次監(jiān)測的點位中誤差最大值為5mm，滿足三等監(jiān)測的精度要求；高程中誤差最大點為A2，其高程中誤差為6mm，略微超出三等監(jiān)測的限差范圍，但其余三個監(jiān)測點的高程中誤差均滿足三等監(jiān)測的要求。在監(jiān)測中嚴格按照步驟操作，減少人為誤差，利用三維激光掃描儀對小區(qū)域滑坡體進行監(jiān)測，平面精度和高程精度均能達到三等監(jiān)測的精度要求。

6 結論

本文以橫琴小區(qū)的小區(qū)域滑坡作為研究對象，詳細分析了三維激光掃描技術在滑坡變形監(jiān)測中的應用。利用三維激光掃描技術開展小區(qū)域監(jiān)測，具有時間短、精度高的特點，但在實際監(jiān)測工作中要得到更精確的結果，還有許多問題需要研究，只有監(jiān)測結果更加精確，才能對滑坡進行有效預警。