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(zāi)害中危害性大且頻發(fā)的事件，會危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，給國民經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重?fù)p失。采用合理的監(jiān)測手段來預(yù)測滑坡發(fā)生時(shí)間，提前做好預(yù)防措施，可以盡可能地減少乃至防止滑坡造成的損失，達(dá)到預(yù)防滑坡災(zāi)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(shí)意義。

近年來，我國有不少學(xué)者對滑坡監(jiān)測做出了一定貢獻(xiàn)，例如，褚宏亮對地形構(gòu)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(jìn)行比較，從而對滑坡變形進(jìn)行分析[2]。劉昌軍運(yùn)用改進(jìn)后的基于八叉樹的Hausdorff 距離算法，實(shí)現(xiàn)了兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直接比較[3]。姚艷麗等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了灰色模型應(yīng)用于滑坡控制點(diǎn)三維坐標(biāo)位移預(yù)測的適用性[4]。郭獻(xiàn)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(xiàn)，但這些方法與三維激光掃描技術(shù)相比，在數(shù)據(jù)獲取速度、監(jiān)測點(diǎn)包含信息等方面有著質(zhì)的差別。利用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取大量滑坡表面點(diǎn)云，經(jīng)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(shù)的變形監(jiān)測方法

基于全站儀測量技術(shù)的變形監(jiān)測方法，通常是指利用常規(guī)的光學(xué)或者電子測量儀器，采用周期性的大地測量技術(shù)來測量角度、距離、高差等數(shù)據(jù)，再通過構(gòu)網(wǎng)法、交會法、極坐標(biāo)法、測線法等，監(jiān)測滑坡體的位移，進(jìn)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(dá)到毫米級，符合變形監(jiān)測要求，是目前應(yīng)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(diǎn)固定設(shè)置在待監(jiān)測的滑坡體周圍穩(wěn)定區(qū)域，分時(shí)段對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測量，經(jīng)過專業(yè)軟件分析處理后得到變形監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后通過分析監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)期的坐標(biāo)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(shè)備昂貴，而且監(jiān)測質(zhì)量不佳。

2.3 GPS 變形監(jiān)測方法

在滑坡體表面任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，用接收機(jī)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(jī)體來測定目前點(diǎn)位至衛(wèi)星的距離，經(jīng)技術(shù)處理后，得到待測點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。利用GPS 變形監(jiān)測方法可以全天候進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)可測定點(diǎn)的三維位移，測量精度高，但是點(diǎn)位選擇的自由度較低，且算法復(fù)雜。

2.4 基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測方法

三維激光掃描技術(shù)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(shí)可靠的數(shù)據(jù)，直觀反映滑坡體表面的實(shí)時(shí)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(shù)基本原理

三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用脈沖測距法來測量被測點(diǎn)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(yīng)數(shù)據(jù)后通過公式計(jì)算便可得出任意測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。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(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

4.1 去除噪聲

實(shí)際測量過程中，因受到被觀測體表面環(huán)境復(fù)雜、測量儀器精度、工作人員的經(jīng)驗(yàn)等因素影響，會產(chǎn)生一些測量誤差點(diǎn)，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(diǎn)。通過肉眼判定，可以直接刪除易判別的異常點(diǎn)和散亂點(diǎn)；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(jìn)行對比，刪除高度偏差較大的點(diǎn)。

4.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接可以通過數(shù)據(jù)或者圖形進(jìn)行。通過數(shù)據(jù)拼接，一般要求各點(diǎn)云間有明顯特征，即在掃描的點(diǎn)云中有同名點(diǎn)的存在。如果特征不明顯，可以在測量目標(biāo)上人工粘貼一些特征點(diǎn)，如標(biāo)靶等。通過圖形拼接，要對點(diǎn)云的局部造型進(jìn)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(diǎn)云重疊的冗余數(shù)據(jù)，才能得到一個完整點(diǎn)云。

4.3 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)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(guān)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(diǎn)位。平均濾波法只需取各個點(diǎn)的平均值。高斯濾波法相對復(fù)雜，需要把指定的區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)拼接，然后處理有組織的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對得出的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并分析滑坡體的變形情況。

將三維激光掃描儀架設(shè)在各個測量點(diǎn)上，然后嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行對中、整平。對各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，首先選取一控制點(diǎn)作為后視點(diǎn)進(jìn)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(fù)對各點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行兩次后視定向，定向中使用同一個標(biāo)靶且嚴(yán)格按照要求重置于后視點(diǎn)上，對各點(diǎn)觀測兩次，采集監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理。

本文對測量標(biāo)靶精確掃描后提取了標(biāo)靶中心的點(diǎn)位坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diǎn)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(shù)對小區(qū)域滑坡體表面進(jìn)行測量分析，可知該區(qū)域滑坡體3D 滑坡值標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)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(diǎn)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(diǎn)的施測精度

通過與表2 中各等級滑坡監(jiān)測點(diǎn)的施測精度進(jìn)行對比，可以看出，本次監(jiān)測的點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的高程中誤差均滿足三等監(jiān)測的要求。在監(jiān)測中嚴(yán)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(jìn)行監(jiān)測，平面精度和高程精度均能達(dá)到三等監(jiān)測的精度要求。

6 結(jié)論

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