陳世坤

（四川峨眉山地質(zhì)工程勘察有限責(zé)任公司，四川 樂山 614000）

前言：作為新興測繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)近年來在我國工程建設(shè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具備高精度、高效率優(yōu)勢，通過對新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段與工具的集成，該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中也具備較高應(yīng)用價值。為保證滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)得到科學(xué)應(yīng)用，正是本文研究目標所在。

一、地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用方法

（一）技術(shù)原理

作為測繪領(lǐng)域的技術(shù)革命，三維激光掃描技術(shù)能夠突破單點變形觀測的傳統(tǒng)模式限制，通過數(shù)據(jù)采集的“面測量”取代以往的“點測量”，本文研究主要圍繞地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用展開，該技術(shù)主要由軟件控制平臺、數(shù)據(jù)處理平臺、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、數(shù)碼相機、三維激光掃描儀等組成，本質(zhì)上屬于新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段，集合多種高新技術(shù)于一身。三維激光掃描儀由激光掃描系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)組成，部分三維激光掃描儀還集成有WLAN 天線設(shè)備、GPS 接收機、數(shù)碼相機、校正系統(tǒng)、電荷耦合器件。三維激光掃描儀可細分為手持型、地面型、機載型、特殊型四類，地面型可細分為固定式激光掃描系統(tǒng)、移動式激光掃描系統(tǒng)。激光掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對距離信息、角度信息、強度信息等觀測數(shù)據(jù)的直接獲取，角度信息為用于反射脈沖激光反射鏡的角度值，即豎直方向角、水平方向角，可分別表示為θ、α。強度信息為掃描點反射強度，可表示為I。距離信息為脈沖激光傳播時間，可由此通過計算確定掃描點與儀器距離值，可表示為S。通過獲取的距離信息和角度信息開展計算，即可確定三維點云數(shù)據(jù)點具體三維坐標值，反射點顏色賦予由強度信息負責(zé)。

（二）應(yīng)用方法

本文研究主要圍繞地面型三維激光掃描技術(shù)在滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用展開，通過對滑坡體進行掃描監(jiān)測，可以得到一個面上不同點的數(shù)據(jù)，掃描物體的表面由此形成。云數(shù)據(jù)處理需要圍繞“點群”單位進行，為實現(xiàn)對監(jiān)測物獲取，需結(jié)合點云數(shù)據(jù)提供的大小、形狀、紋理、顏色、色調(diào)等標志完成體積較大的物塊分辨，滑坡體上這類物塊選擇存在的形式有兩種，包括滑坡體上裸露的巖石塊，這類巖石塊存在明顯的物理特征和幾何特征，點云數(shù)據(jù)能夠識別這類巖石塊得到獨立個體。另一種形式需要布設(shè)便于識別、簡單的物體，這種形式適用于大量裸露土體的滑坡體，以此替代適合監(jiān)測的天然地物；地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用還需要開展坐標計算，需要將選擇的監(jiān)測物視作均勻物質(zhì)，以此結(jié)合點云數(shù)完成監(jiān)測物重心的三維坐標計算，得到“同名點”。相較于全站儀、GPS 能夠?qū)ΡO(jiān)測點進行直接測量獲取三維數(shù)據(jù)，地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用需要對同名點三維坐標數(shù)據(jù)進行計算，這種計算存在相對較低點位精度，但存在更多的監(jiān)測物數(shù)量，效率更高，即便需要布設(shè)標靶也存在更高效率；在地面型三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的點云數(shù)據(jù)處理過程中，可應(yīng)用成熟的處理軟件，如3DReshaper 軟件、SouthLidar 軟件等，具體處理過程涉及數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)配準、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)比較等內(nèi)容。數(shù)據(jù)編輯環(huán)節(jié)需要將粗差剔除，點云數(shù)據(jù)與建模無關(guān)的需要剔除。數(shù)據(jù)配準需要進行同名點尋找，測量獲取的點云數(shù)據(jù)和同名點需要開展坐標轉(zhuǎn)換，具體需要向控制點和基準點統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，同一測站獲得的基準點、控制點、同名點需要構(gòu)成整體。數(shù)據(jù)拼接需結(jié)合不同測站公共點坐標，將對應(yīng)點云數(shù)據(jù)向統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換，構(gòu)成整體。數(shù)據(jù)比較需要開展被測區(qū)對應(yīng)實體模型建設(shè)，這需要充分應(yīng)用點云數(shù)據(jù)。在滑坡地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中，需要對各個監(jiān)測物進行虛擬“重心”坐標提取，以此獲取同名點，這種測繪無需對整個滑坡體點云數(shù)據(jù)進行計算，僅需要比較分析“重心”坐標。

二、地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用

（一）案例概況

為提升研究的實踐價值，本文以某巨型滑坡作為研究對象，作為典型的紅土－基巖接觸面滑坡，該滑坡存在較高危險程度和較差穩(wěn)定性，滑坡體寬度、長度、平均厚度、體積分別為203m、296m、28m、1.68×106m3。為明確該巨型滑坡的發(fā)展變化趨勢、巖體結(jié)構(gòu)面滑移方向和滑移量，需圍繞其開展地質(zhì)災(zāi)害體測繪。為得到連續(xù)、全面、完整、關(guān)聯(lián)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)。在地面三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用中，需要做好對相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害資料的收集，并對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的形成條件、分布規(guī)律、形成機理開展深入研究，以此完成監(jiān)測區(qū)域的科學(xué)劃定，制定基于三維激光掃描技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)方案，完成地質(zhì)災(zāi)害體監(jiān)測，具體流程涉及收集和整理資料、實地踏勘、監(jiān)測方案制定、掃描準備、掃描監(jiān)測、拼接圖形、掃描完全判斷、處理數(shù)據(jù)、分析成果。

（二）準備工作

在應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)前，需做好儀器準備并布設(shè)監(jiān)測點和基準點。儀器準備環(huán)節(jié)需要準備的儀器包括2 臺計算機、1 套徠卡數(shù)字水準儀、4 臺中海達V98接收機、三維激光掃描儀，其中三維激光掃描儀的型號為RIEGLLMS-Z420，同時需要配備Autocad、3DReshaper、Office 等軟件；在布設(shè)監(jiān)測點和基準點的過程中，基準點需要結(jié)合所在區(qū)域遙感地圖完成布設(shè)，在進行實地踏勘后，測量人員共布設(shè)基準點6 個，選擇滑坡體對面山坡較高處的穩(wěn)定區(qū)，為滿足監(jiān)測掃描需要，同時在基準點建設(shè)強制對中觀測墩。項目的高程、平面坐標分別選擇1985 年國家高程基準、2000 國家大地坐標系，按照D 級精度開展GNSS 測量確定基準點的平面坐標，基于二等水準精度聯(lián)測國家高程點確定基準點的高程。通過針對性地實地勘察，結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用方案，共布置監(jiān)測點8 個，選擇能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害體變化進行反映的位置，同時進行標靶埋設(shè)，滿足三維激光掃描儀識別需要。

（三）監(jiān)測掃描

在基于地面三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測掃描過程中，為得到高可靠性監(jiān)測成果，選擇“四個固定”方式開展監(jiān)測掃描，即通過固定三維激光掃描儀開展每期監(jiān)測，基于固定基準點觀測墩按照固定順序進行三維激光掃描儀架設(shè)完成每期監(jiān)測，圍繞固定的基準標靶開展各掃描站每期監(jiān)測，采用固定不變的各掃描站每期掃描參數(shù)。

（四）數(shù)據(jù)處理

針對性處理監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣屬于地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用重點，為實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害體變形情況的準確反映，對于應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)，必須針對性處理，具體處理涉及五方面內(nèi)容：第一，數(shù)據(jù)預(yù)處理。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理需要拼接多站坐標數(shù)據(jù)，同時開展完整性分析，明確需要監(jiān)測的地質(zhì)災(zāi)害體是否完全得到掃描，如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害體某部位未得到掃描需要及時開展重新掃描，保證缺失的原始點云數(shù)據(jù)得到補充；第二，數(shù)據(jù)去噪。外部環(huán)境、儀器等因素會導(dǎo)致地面三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中產(chǎn)生噪聲點，這種噪聲點可通過人工處理和平滑濾波結(jié)合方法去除，分析誤差能夠有效降低；第三，空間坐標歸化。利用基準點高程和坐標，將整合地質(zhì)災(zāi)害體各期點云數(shù)據(jù)向1985年國家高程基準和CGCS2000坐標系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換；第四，提取監(jiān)測點坐標。結(jié)合監(jiān)測點的標靶，完成各期監(jiān)測點坐標提取，為成果分析使用提供依據(jù)；第五，生成地質(zhì)災(zāi)害體三維表面模型。數(shù)據(jù)去噪處理后，需要進行分類，地物、植被等非地貌部分點云數(shù)據(jù)需要由此剔除，以此得到三維表面模型，為地質(zhì)災(zāi)害體結(jié)構(gòu)面細節(jié)變形分析和整體發(fā)展趨勢分析提供基礎(chǔ)模型。

（五）監(jiān)測成果分析

1.監(jiān)測點成果分析

結(jié)合從2020 年6 月22 日、2020 年12 月9 日共兩期觀測數(shù)據(jù)中的8 個監(jiān)測點成果進行分析，可以得到表1 所的監(jiān)測點成果表。

表1 監(jiān)測點成果表

結(jié)合表1 進行分析可以發(fā)現(xiàn)，該地質(zhì)災(zāi)害體正處于下移之中，存在0.1438m 的各點平均水平位移量，同時存在－0.1232m 的各點平均垂直位移量?；螺S位置的W4唯一最大，存在0.2139m的水平位移量及－0.2007m的垂直位移量，邊緣點W8位移最小，水平位移量、垂直位移量分別為0.0814m、-0.0623m。圍繞點位分布進行分析可以發(fā)現(xiàn)，位移隨著與滑坡軸位置靠近程度而提升，越靠近則位移越大?？偟膩碚f，該地質(zhì)災(zāi)害體隨時存在潛在的威脅，必須開展重點監(jiān)測，保證預(yù)報、預(yù)警工作嚴格落實。

2.斷面線成果分析

地質(zhì)災(zāi)害體的位移情況對比可圍繞無植被覆蓋區(qū)的陡坎位置進行，三維DEM 對比需要將植被去除并進行TIN 構(gòu)建，這會帶來一定程度精度損失，為將相關(guān)影響降到最低，選擇斷面切點云截面進行前后期的地質(zhì)災(zāi)害體的具體變化，這種對比在精度把控方面優(yōu)勢明確，能夠直接開展。前后兩期掃描點云數(shù)據(jù)在空間坐標歸化后需要結(jié)合實際坐標進行疊放，縱剖面需選擇需要分析的位置獲取，地質(zhì)災(zāi)害體的變形情況可通過對同一位置縱剖面對比明確。具體選擇地質(zhì)災(zāi)害體滑坡軸剖切2 次掃描點云獲得的截面圖，以厘米作為位移量單位，以米作為其他定位數(shù)據(jù)單位，可得到圖1 所示滑坡軸剖切線位移對比圖。圖1 中的黑色、紅色分別代表第二期、第一期掃描地質(zhì)災(zāi)害體軸剖面，由此可確定位移情況，較大位移在中部出現(xiàn)，底部和上部存在較小位移。

3.點云模型成果分析

地質(zhì)災(zāi)害體點云數(shù)據(jù)通過3DReshaper 軟件開展分類，將地物、植被等非地貌部分點云數(shù)據(jù)剔除后，可得到三維表面模型，圖2 為一期、二期掃描點云數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖2 進行對比可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害體存在整體位移，滑坡軸附近、垂直滑坡方向上存在較大位移，中部位移在滑坡方向上較大，底部和上部存在相對較小位移。

4.裂縫分析

研究對象地質(zhì)災(zāi)害體存在小型臺階裂縫，但在應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)的掃描過程中，標靶和監(jiān)測點未能設(shè)置在小型臺階裂縫邊緣處，這使得小型臺階裂縫無法結(jié)合三維表面模型或點云數(shù)據(jù)直接獲取長度、寬度等尺寸信息和變形情況?？紤]到裂縫底部位置高低不一且存在不規(guī)則性特點，單一高程信息獲取難度較高，因此地質(zhì)災(zāi)害體的小型臺階裂縫變化情況和尺寸信息可基于等高線進行分析。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害體三維表面模型和3DReshaper 軟件，得到對應(yīng)小型臺階裂縫模型等高線，通過DXF 文件以二維預(yù)覽的方式將其導(dǎo)入Autocad2016，由此定量分析裂縫，可得到圖3所示的一期、二期裂縫等高線效果圖。

結(jié)合圖3 進行分析可以發(fā)現(xiàn)，等高線密集的左上部的高程較高，屬于裂縫上部，同理，右下部則為裂縫下部，這與實際地形情況一致。隨高程變化，臺階裂縫的寬度和高度不同，結(jié)合軟件進行計算可以確定，裂縫最低處的一期裂縫寬度、長度分別為0.586m、5.654m，二期裂縫寬度、長度分別為0.840m、5.971m，因此可確定存在0.317m 的兩期間小型臺階裂縫長度變化量及0.254m 的寬度變化量。隨地質(zhì)災(zāi)害體一起變形的小型臺階裂縫存在較大變形量，需要對其開展重點監(jiān)測并做好預(yù)警工作。地質(zhì)災(zāi)害體結(jié)構(gòu)面細節(jié)變形詳細數(shù)據(jù)能夠由裂縫分析提供，災(zāi)害預(yù)防和控制能夠由此獲得可靠資料與科學(xué)依據(jù)。

結(jié)論：綜上所述，三維激光掃描技術(shù)能夠較好用于地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的準備工作、監(jiān)測掃描、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測成果分析等內(nèi)容，在提供了可行性較高的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好開展地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)，多源數(shù)據(jù)支持監(jiān)測、測站與參數(shù)設(shè)置優(yōu)化等方面同樣需要得到重視。