胡穎 謝天 楊希

摘要：我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，其中滑坡災(zāi)害每年會(huì)造成上百人傷亡及數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)損失。將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在滑坡變形監(jiān)測(cè)中，能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，這對(duì)滑坡預(yù)警、災(zāi)后重建有著重大意義。本文介紹了國(guó)內(nèi)外滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展，提出了將地面三維掃描技術(shù)用于監(jiān)測(cè)地表形變產(chǎn)生的滑坡災(zāi)害的方法。闡述監(jiān)測(cè)工作原理、變形分析方法，探討了此方法中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，并對(duì)比了目前常用的幾種滑坡監(jiān)測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；滑坡監(jiān)測(cè)；地表形變；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

Application of Ground-based Three-dimensional Laser Scanning in Landslide Monitoring

Hu Ying1，Xie Tian2，Yang Xi1

1. Hubei Quality Supervision and Inspection Station of Surverying Surveying and Mapping， Wuhan 430071， China；

2. Hydrogeological team， Geology Bureau for Nonferrous Metals of Guangdong Province， Guangzhou 510811， China

Abstract： China is constantly threatened by the geohazards. In particular， the landslides lead to hundreds of causalities and billions of Chinese Yuan of property lost. The ground-based three-dimensional （3D） laser scanning can be applied in the landslide displacement monitoring and is of significant importance to the pre-failure forecast and post-slide reconstruction. This paper introduces the contemporary landslide monitoring tools and its development in China and worldwide， with a focus on the 3D laser scanning approach. We elaborate the principle and methodology of the point cloud data processing and compare some generally used landslide monitoring techniques.

Key words： Three-dimensional laser scanning； Landslide monitoring； Surface deformation； Point cloud

1.引言

根據(jù)自然資源部最新發(fā)布的2018年全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)顯示，我國(guó)2018年共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害2966起，造成185人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失14.7億元。其中滑坡1631起，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的55%[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容有地表形變監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)以及環(huán)境影響因素（地表水、地下水、降雨量等）監(jiān)測(cè)和宏觀地質(zhì)現(xiàn)象監(jiān)測(cè)。而地表形變是滑坡災(zāi)害發(fā)生前最直觀的信息，監(jiān)測(cè)地表目標(biāo)點(diǎn)位移是滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要內(nèi)容和有效手段。在我國(guó)現(xiàn)行《滑坡、崩塌監(jiān)測(cè)測(cè)量規(guī)范》中，采用經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、GPS來(lái)測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)[2]，這種傳統(tǒng)單點(diǎn)式監(jiān)測(cè)僅能對(duì)人員可達(dá)的滑坡建立的實(shí)地觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。此方法的缺點(diǎn)是成本高且變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)少，難以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)局部區(qū)域的變形情況，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)一旦被破壞會(huì)嚴(yán)重影響資料的連續(xù)性。也有學(xué)者提出了其他方法：劉立的基于北斗與合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)關(guān)鍵問(wèn)題探討[4]，朱慶的重大滑坡隱患分析方法綜述[5]，林沂的偏振激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)遙感[6]，LiZheng Deng的聲傳導(dǎo)法監(jiān)測(cè)[7]等。

三維激光掃描儀分為星載（機(jī)載）激光掃描儀、地面激光掃描儀、手持激光掃描儀三種。星載（機(jī)載）激光掃描儀相對(duì)地面激光掃描儀而言，產(chǎn)生了額外的姿態(tài)參數(shù)、飛行參數(shù)等，誤差來(lái)源多于后者，精度較后者低。手持激光掃描儀多用于房產(chǎn)測(cè)繪等距離短的測(cè)量。本文談到的均為地面三維激光掃描儀。它是一種集成多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器，采取非接觸式獲取信息的手段，通過(guò)掃描被測(cè)目標(biāo)區(qū)域大量密集點(diǎn)的信息，最真實(shí)、直接地反映被測(cè)目標(biāo)事物實(shí)時(shí)的變化特性，所以越來(lái)越多地被應(yīng)用于快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，為滑坡監(jiān)測(cè)提供了一種新選擇。

地面三維激光掃描儀把激光脈沖發(fā)射體發(fā)射出的窄束激光脈沖通過(guò)兩個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的同步反射棱鏡，掃描被測(cè)目標(biāo)。通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)射到返回儀器所需要的時(shí)間，計(jì)算出儀器與被測(cè)物體間距離。與此同時(shí)，測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，綜合計(jì)算出落在物體表面激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描以平面掃描的方式，高效率、測(cè)量精度均勻，能分辨出滑坡體細(xì)微變形和蠕變。因此將三維激光掃描技術(shù)引入到滑坡變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無(wú)疑非常有意義。

2.將地面三維激光掃描儀用于監(jiān)測(cè)滑坡的工作流程

2.1通過(guò)掃描監(jiān)測(cè)滑坡體確定監(jiān)測(cè)物

地面三維激光掃描測(cè)量每次掃描會(huì)得到一個(gè)面上不同點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這些“密密麻麻”的點(diǎn)構(gòu)成了掃描物體的表面。點(diǎn)越多，與實(shí)際物體表面的重合性越好。云數(shù)據(jù)處理不是以單點(diǎn)為處理單位，而是以“點(diǎn)群”為單位進(jìn)行處理。學(xué)者們?yōu)榇艘蔡岢隽烁鞣N不同的算法。劉文龍?jiān)诨谌S激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究中[8]，通過(guò)在待掃描的滑坡區(qū)域內(nèi)布設(shè)掃描控制點(diǎn)，由GPS和全站儀先測(cè)量這些點(diǎn)的坐標(biāo)，再通過(guò)這些點(diǎn)的坐標(biāo)把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)。但地面三維激光掃描測(cè)量采用的是無(wú)固定目標(biāo)的測(cè)量方式，就是說(shuō)每次掃描的測(cè)量點(diǎn)都不會(huì)重合，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能不含GPS測(cè)量出的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。徐進(jìn)軍在基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理中[9]，提出了從“變形監(jiān)測(cè)塊”上提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的算法，但需要該監(jiān)測(cè)塊是球類(lèi)或者圓形面，或者至少有一個(gè)平面，如果不是人工設(shè)置監(jiān)測(cè)塊，很難達(dá)到這一要求。

為了將掃描點(diǎn)云全部用于為了計(jì)算變形，需要從每期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定同名點(diǎn)并計(jì)算其坐標(biāo)。這里提出提取監(jiān)測(cè)物上重心的思路。

獲取監(jiān)測(cè)物，必須首先根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供的形狀、大小、顏色、紋理、色調(diào)等標(biāo)志中分辨出各個(gè)體積較大的物塊，選取這些物塊有兩種形式：

（1）在大部分滑坡體上，會(huì)裸露出很多巖石塊，這些巖石塊的幾何特征和物理特征明顯，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以將這些巖石塊識(shí)別成一個(gè)個(gè)的獨(dú)立個(gè)體。（2）如果滑坡體上裸露的基本是土質(zhì)，沒(méi)有適合作監(jiān)測(cè)用的天然地物，則可以在滑坡體合適的部位人工布設(shè)簡(jiǎn)單的、便于識(shí)別的物體。

2.2坐標(biāo)的計(jì)算

我們視前面所選取的監(jiān)測(cè)物為均勻物質(zhì)，根據(jù)落在監(jiān)測(cè)物上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出它重心的三維坐標(biāo)，得到我們需要的“同名點(diǎn)”。不同于GPS、全站儀是直接測(cè)量得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，三維激光掃描測(cè)量得出的同名點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)是計(jì)算出來(lái)的。雖然如此計(jì)算出的點(diǎn)位精度較低，但這樣的監(jiān)測(cè)物的數(shù)量卻多于GPS和全站儀測(cè)量所需要的控制點(diǎn)。即使需要人工布設(shè)監(jiān)測(cè)物，也只需布設(shè)便于識(shí)別的物體，速度較快。

2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過(guò)程

現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出的處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件很多，如ScanMaster，SouthLidar，JRC 3D Reconstructor等。學(xué)者們也對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理提出了各種方法[10-12]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理通常分為以下幾個(gè)步驟：

（1）數(shù)據(jù)編輯：剔除粗差，剪切與建模無(wú)關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：尋找同名點(diǎn)，然后將同名點(diǎn)和測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成和基準(zhǔn)點(diǎn)及控制點(diǎn)統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，使同一測(cè)站上測(cè)得的同名點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)、控制點(diǎn)形成一個(gè)整體。（3）數(shù)據(jù)拼接：根據(jù)不同測(cè)站上公共點(diǎn)的坐標(biāo)，將不同測(cè)站上測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)中，形成一個(gè)整體。（4）數(shù)據(jù)比較：根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立與被測(cè)區(qū)域相應(yīng)的實(shí)體模型。在前面的滑坡變形測(cè)量中，我們提取了各個(gè)監(jiān)測(cè)物上的虛擬“重心”坐標(biāo)，這些坐標(biāo)就是我們每次掃描監(jiān)測(cè)需要的同名點(diǎn)。因此不需要整個(gè)滑坡體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)參與計(jì)算，只需要這些“重心”坐標(biāo)參與以后每次監(jiān)測(cè)測(cè)量的比較分析。

地面三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)滑坡工作流程如圖1。

3.地面三維激光掃描儀可達(dá)技術(shù)參數(shù)

目前，徠卡ScanStation P50三維激光掃描儀長(zhǎng)距離可達(dá)到1000m，測(cè)距精度為1.2mm+10ppm（270m模式）/3mm+ 10ppm（>1000m模式），角度測(cè)量精度為8s。拓普康GLS-2000三維激光掃描儀標(biāo)準(zhǔn)模式下距離可達(dá)350m，測(cè)距精度3.5mm/150m，測(cè)角精度6s。南方FARO FOCUS S350地面三維激光掃描儀最遠(yuǎn)測(cè)距350m，測(cè)距誤差1mm，測(cè)角精度19s。

4.攝影測(cè)量與地面三維激光掃描在滑坡監(jiān)測(cè)上應(yīng)用對(duì)比

利用三維激光掃描儀進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)，一定范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程。三維激光掃描儀測(cè)量速度快，采集信息量大，可以形成滑坡體的點(diǎn)云圖，進(jìn)一步可生成尺寸精確的滑坡體立體模型，使滑坡體的變形分析更加形象直觀。

目前很多學(xué)者提出了采用攝影測(cè)量的方式對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。攝影測(cè)量和地面三維激光掃描有著共同的優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)化程度高，外業(yè)作業(yè)工作量少，無(wú)接觸測(cè)量可保證人員設(shè)備安全，需要進(jìn)行控制點(diǎn)野外施測(cè)等。我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較。

4.1數(shù)據(jù)格式

攝影測(cè)量得到的初始數(shù)據(jù)為數(shù)字化影像，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一張“像片”。單憑一張影像無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，需要對(duì)多張影像預(yù)處理，過(guò)程包括影像增強(qiáng)、降位處理、去薄云處理等。之后，進(jìn)行影像判讀，解譯出地形要素。在拼接數(shù)據(jù)時(shí)，采用相對(duì)定向和絕對(duì)定向方式，最后獲得地表空間信息。

地面三維掃描儀，通過(guò)發(fā)射激光、接受激光，得到富含位置信息的點(diǎn)云，可直接在點(diǎn)云中進(jìn)行空間計(jì)算，數(shù)據(jù)匹配采用的是坐標(biāo)匹配。

4.2測(cè)量精度

地面三維掃描儀直接對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)行計(jì)算，攝影測(cè)量需要從圖像信息轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)。因此地面三維掃描儀在同等條件下數(shù)據(jù)精度更高。

4.3外業(yè)測(cè)量對(duì)環(huán)境的要求

攝影測(cè)量對(duì)氣候環(huán)境要求高，對(duì)天氣、光強(qiáng)度有嚴(yán)格要求。地面三維掃描不受溫度和光強(qiáng)的影響，夜晚也可以工作。

5.地面三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

5.1優(yōu)勢(shì)及主要特點(diǎn)

（1）高效性與高精度性：地面三維激光掃描系統(tǒng)可以在快速獲取測(cè)量形體表面的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工作效率高。作業(yè)員在掃描作業(yè)的時(shí)候可以利用軟件對(duì)掃描間隔進(jìn)行設(shè)置，所以掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高密度性。只是如果掃描間隔過(guò)小，掃描所需要的時(shí)間相應(yīng)比較長(zhǎng)而已。其高精度性質(zhì)是由掃描儀本身的測(cè)量精度決定。（2）非接觸性：地面三維激光掃描系統(tǒng)掃描的時(shí)候不需要事先接觸掃描目標(biāo)體，基于這種優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量人員可以避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域，人身安全得以保障。（3）直觀性：可獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體位移分布信息，即位移云圖[13]。根據(jù)云圖，使用人員能夠直觀明了的判斷滑坡區(qū)域的位移情況，及時(shí)制定防災(zāi)方案，排除隱患。（4）智能性：由于地面三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的快速性使得采集的三維數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的特征，且它不受測(cè)量員能力水平、工作經(jīng)驗(yàn)、情緒精力等人為因素的影響，夜間無(wú)須照明就能進(jìn)行觀測(cè)，從而大大提高了工作效率。儀器的智能化大大降低了作業(yè)員的腦力工作，從而簡(jiǎn)化了測(cè)站人員的工作。（5）數(shù)字化、自動(dòng)化：激光掃描系統(tǒng)不僅具有直接獲取目標(biāo)體的距離信號(hào)，而且掃描過(guò)程非常容易控制，實(shí)現(xiàn)成果的自動(dòng)化顯示輸出，具有良好的可靠性。（6）兼容性：將GPS定位系統(tǒng)集成于地面三維激光掃描系統(tǒng)之上，通過(guò)掃描控制軟件中內(nèi)部坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，可以直接獲得滿足于監(jiān)測(cè)需要的各種坐標(biāo)下的點(diǎn)云的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

5.2劣勢(shì)和不足

（1）一般而言，地面三維激光掃描儀的價(jià)格高，屬于市場(chǎng)上的高檔儀器設(shè)備。（2）我國(guó)目前暫無(wú)三維激光掃描儀產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及檢定規(guī)范，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品性能指標(biāo)無(wú)法得到科學(xué)的驗(yàn)證，在實(shí)際測(cè)量中也很難檢驗(yàn)該儀器是否達(dá)到標(biāo)稱(chēng)精度。（3）掃描數(shù)據(jù)的后處理軟件表現(xiàn)形式多樣，各生產(chǎn)廠家的軟件不能很好地兼容，對(duì)于后續(xù)的點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理和建模等研究工作造成了很大的困難。（4）多站采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于地形起伏造成的遮擋、轉(zhuǎn)站測(cè)量時(shí)的誤差，掃描數(shù)據(jù)拼接誤差等。這些誤差會(huì)影響后續(xù)建模精度[14-16]。

6.展望

展望未來(lái)的實(shí)際工程應(yīng)用，還有以下幾點(diǎn)問(wèn)題有待進(jìn)一步改進(jìn)或提高：

6.1數(shù)據(jù)采集的盲區(qū)問(wèn)題

在掃描工作的實(shí)施過(guò)程中，因?yàn)榧す夤庠捶瓷?，特定材料?duì)其敏感性不高，所以會(huì)有盲區(qū)出現(xiàn)在掃描范圍內(nèi)，例如掃描結(jié)果不但會(huì)受潮濕地表的影響，而且也會(huì)受綠色植被的影響。

6.2掃描距離遠(yuǎn)近的影響

地面三維激光掃描儀主要靠激光的特性來(lái)實(shí)施各項(xiàng)工作，距離的遠(yuǎn)近直接影響著點(diǎn)位的測(cè)量精度，這就導(dǎo)致作業(yè)中掃描測(cè)站點(diǎn)變化帶來(lái)的麻煩。

7.結(jié)論

本文提出了用地面三維掃描儀監(jiān)測(cè)滑坡災(zāi)害，在海量云數(shù)據(jù)中提取監(jiān)測(cè)物，通過(guò)落在監(jiān)測(cè)物上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)虛擬監(jiān)測(cè)物重心坐標(biāo)，以此找到同名點(diǎn)，用此同名點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的思路。相信隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，掃描儀硬件、軟件日臻完善，地面三維激光掃描技術(shù)將會(huì)成為滑坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警的一種常規(guī)監(jiān)測(cè)手段。

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