田鵬
(新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院,新疆 烏魯木齊 830000)
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]。
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。
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。
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。
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。
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
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)。
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。
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。
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。
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。