林益新

（福建省經(jīng)緯數(shù)字科技有限公司，福建 福州 350001）

0.引言

我國(guó)地貌復(fù)雜，有較多的山川丘陵，每年有大量的山體滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了非常大的損失，因此國(guó)家對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)和預(yù)警十分重視[1-3]。如今地表宏觀情況監(jiān)測(cè)，降雨量、地下水等環(huán)境因素監(jiān)測(cè)，深部變形監(jiān)測(cè)為國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)滑坡災(zāi)害的具體內(nèi)容。而在國(guó)內(nèi)，大部分工程都是用全站儀或GNSS來(lái)測(cè)量坡體變形，分析坡體的穩(wěn)定性，此方法所得的特征點(diǎn)較少，難以獲得坡體的總體變形數(shù)據(jù)。而在分析滑坡變形時(shí)，許多細(xì)節(jié)的改變會(huì)對(duì)變形分析的準(zhǔn)確性起著決定性作用，因此，在滑坡監(jiān)測(cè)中，引入三維激光掃描技術(shù)，能夠?qū)⑵麦w表面豐富的自然點(diǎn)利用起來(lái)，達(dá)到從整體分析滑坡變形的目的[4]。在滑坡災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用地面三維激光掃描技術(shù)可以在很大程度上提高預(yù)警精度和準(zhǔn)確性，其應(yīng)用潛力較大，社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。和傳統(tǒng)測(cè)量方式不同，此技術(shù)的數(shù)據(jù)構(gòu)成和測(cè)量手段較為先進(jìn)，處理數(shù)據(jù)的方式也較為獨(dú)特。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)Ρ粶y(cè)物的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）進(jìn)行測(cè)量，并且具有測(cè)量速度快、密度高以及準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Ρ粶y(cè)物表面的情況進(jìn)行詳細(xì)地描述[5]。在測(cè)量物體靜態(tài)形狀方面此技術(shù)已經(jīng)取得了較大的成功，但將此技術(shù)應(yīng)用到具體工程中時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)坡體的變形預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)存在較多沒(méi)有克服的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題和理論問(wèn)題，需要深入地分析和研究?；诖?，本文通過(guò)設(shè)置實(shí)地試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，研究了此技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用效果，為相關(guān)工程提供借鑒和指導(dǎo)。

1.三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)掃描儀的特點(diǎn)，能夠在比較穩(wěn)定、相對(duì)安全和視野良好位置搭建一些具有強(qiáng)對(duì)中功能的觀測(cè)墩，用于架設(shè)GNSS接收機(jī)、全站儀、掃描儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備。由于一定要在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)里開(kāi)展計(jì)算與分析坡體的變形工作，所以要觀測(cè)墩四周是否可以穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量工作，并借助全站儀測(cè)量或用GNSS在相同坐標(biāo)系里對(duì)觀測(cè)墩的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)有較大變化時(shí)及時(shí)調(diào)整。將掃描儀和定向標(biāo)志設(shè)置在合適的觀測(cè)墩上，調(diào)平儀器后對(duì)相關(guān)參數(shù)（掃描密度和掃描范圍等）進(jìn)行設(shè)置，之后即可開(kāi)展目標(biāo)區(qū)域的掃描測(cè)量工作，繼而得出滑坡的一期掃描數(shù)據(jù)。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)掃面得出的數(shù)據(jù)被叫作點(diǎn)云數(shù)據(jù)，它是由很多單個(gè)掃描點(diǎn)聚集在一起形成的，每一個(gè)掃描點(diǎn)中都包含了很多信息，如顏色、反射強(qiáng)度以及三維坐標(biāo)等。所以可以在計(jì)算機(jī)上根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顏色和強(qiáng)度信息來(lái)對(duì)測(cè)量的不同物體進(jìn)行識(shí)別。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

在開(kāi)展以三維激光掃描為基礎(chǔ)的形狀測(cè)量工作時(shí)，通常會(huì)借助特殊的軟件來(lái)對(duì)點(diǎn)云數(shù)進(jìn)行處理，具體的操作步驟分為三步：第一步是將與形狀建模無(wú)關(guān)或關(guān)聯(lián)不大的點(diǎn)云進(jìn)行裁剪，并對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行消除；第二步是找出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)鍵點(diǎn)并進(jìn)行拼接和配準(zhǔn)，統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)；第三步是開(kāi)展建模工作，按照物體的外形和點(diǎn)云數(shù)據(jù)將被測(cè)物體的實(shí)體模型建立出來(lái)，具體流程如圖1所示。

2.2 識(shí)別監(jiān)測(cè)靶標(biāo)

借助GNSS或全站儀開(kāi)展每一次測(cè)量工作時(shí)，均有明確且相同的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，坡體的變形量可以由此直接計(jì)算出來(lái)。在掃描測(cè)量中采取的測(cè)量方式為無(wú)合作目標(biāo)方式，這樣不會(huì)出現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)重疊的情況。為了對(duì)變形量進(jìn)行計(jì)算，要對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比挑選，從眾多數(shù)據(jù)中挑出點(diǎn)名相同的點(diǎn)，并對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。但是，掃描測(cè)量和處理針對(duì)的單位并不是單個(gè)的點(diǎn)，處理對(duì)象是由多個(gè)點(diǎn)聚集在一起的“點(diǎn)群”。所以，想要得到變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，先要將一些“監(jiān)測(cè)靶標(biāo)”根據(jù)顏色信息和強(qiáng)度信息從點(diǎn)云數(shù)據(jù)里識(shí)別和挑選出來(lái)，然后再對(duì)監(jiān)測(cè)塊上的點(diǎn)云進(jìn)行處理?！氨O(jiān)測(cè)靶標(biāo)”有兩種具體的形式：第一種是在現(xiàn)實(shí)中較多滑坡體表面，大多數(shù)區(qū)域都散落著大大小小的巖石塊，這些天然形成的巖石塊基本都有著很高的反射性，這使得它們能夠快速地從所處的環(huán)境里識(shí)別出來(lái)，所以能夠當(dāng)作“監(jiān)測(cè)靶標(biāo)”；第二種是有較多的土體存在于滑坡表面，反射性較為強(qiáng)烈的天然石塊數(shù)量較少或基本不存在，此時(shí)可以采取人為設(shè)置的方法，選擇成本較低的材料在坡體表面適當(dāng)區(qū)域設(shè)置一些簡(jiǎn)單的塊體，并且這些塊體能夠與附近環(huán)境明顯區(qū)分開(kāi)，此時(shí)可以將其視作“監(jiān)測(cè)靶標(biāo)”。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

在滑坡每一期的掃描測(cè)量中，有很多監(jiān)測(cè)塊體從掃描點(diǎn)云中識(shí)別出來(lái)，而又有大量單獨(dú)的掃描點(diǎn)存在于監(jiān)測(cè)靶標(biāo)上。在工程監(jiān)測(cè)中通常選取重心法和擬合法來(lái)把監(jiān)測(cè)靶標(biāo)里的點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（1）當(dāng)監(jiān)測(cè)塊體形狀不規(guī)則時(shí)，處理上面的點(diǎn)云選用重心法。這種監(jiān)測(cè)塊可能是天然塊體，也有可能是人工設(shè)置的。此次研究中處理和分析的監(jiān)測(cè)塊體平面數(shù)量最少為1。具體步驟為：先將點(diǎn)云圖顯示在計(jì)算機(jī)中，借助軟件的相關(guān)功能（平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等），對(duì)監(jiān)測(cè)塊的平面進(jìn)行選擇；對(duì)此面上的邊界進(jìn)行科學(xué)合理的確定，之后借助面垂直方向上的一致性來(lái)對(duì)邊界范圍里的掃描點(diǎn)進(jìn)行選擇；對(duì)這些掃描點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算求其平均值，并視作此監(jiān)測(cè)塊上的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。假如有多個(gè)平面存在于此監(jiān)測(cè)靶標(biāo)上，那么就能夠獲取位于塊體上的全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以此來(lái)對(duì)變形進(jìn)行計(jì)算。

（2）當(dāng)監(jiān)測(cè)塊體形狀與圓形面或球類體相近時(shí)，處理上面的點(diǎn)云選用擬合法。這種類型的監(jiān)測(cè)塊基本是由人工設(shè)置而成的，通常將圓形面的中心或擬合球體的球心來(lái)當(dāng)作變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

與全站儀、GNSS測(cè)量的變形點(diǎn)不同，掃描測(cè)量的結(jié)果不是直接通過(guò)儀器直接測(cè)出來(lái)的，而是經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得出的。經(jīng)過(guò)這種處理過(guò)程，盡管最終得出的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果在精度上沒(méi)有全站儀或GNSS測(cè)出的精度高，不過(guò)在自然點(diǎn)變形量的獲取速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全站儀或GNSS，這種方式可以在短時(shí)間內(nèi)得到大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形結(jié)果，效率較高，在分析滑坡的整體變形上有重要的作用。

3.試驗(yàn)分析

為了探索滑坡監(jiān)測(cè)里地面三維激光掃描的效果和可行性，本文設(shè)置了兩種試驗(yàn)：第一種是選取天然巖石面，將其當(dāng)成監(jiān)測(cè)塊，來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的滑坡場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量；第二種是在室內(nèi)設(shè)置滑坡模型，開(kāi)展模型測(cè)量試驗(yàn)，并設(shè)置人工球體監(jiān)測(cè)塊。Mensi GS 200為此次研究所用地面三維激光掃描儀的型號(hào)。掃描儀最大測(cè)程為350 m，測(cè)程處于中等范圍。其點(diǎn)位精度為100 m內(nèi)3 mm，平均掃描速度為每秒5 000點(diǎn)。

3.1 工程概況

本次變形監(jiān)測(cè)工程為福建閩江水口水電站樞紐壩下水位治理與通航改善工程建興石料場(chǎng)周邊房屋變形監(jiān)測(cè)，地理位置位于閩清縣梅溪鎮(zhèn)建興村和新民村境內(nèi)，其地形地貌為丘陵山地，高程約20 m—130 m。開(kāi)挖爆破高度不等。爆破區(qū)西側(cè)距316國(guó)道邊約100 m；電力線及國(guó)防光纜穿插爆破區(qū)，東側(cè)為山地；山上有果樹(shù)，南北側(cè)為零散居民區(qū)，房屋建筑與料場(chǎng)距離不等。測(cè)區(qū)為丘陵山地地貌，民房等建（構(gòu)）筑物依山而建，部分房角較為隱蔽，通視條件差，地形起伏較大，給沉降及傾斜觀測(cè)帶來(lái)不便，施測(cè)難度較大。測(cè)區(qū)概略位置，如圖2所示。

圖2 滑坡及測(cè)量區(qū)域

3.2 實(shí)地滑坡監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

按照三維激光掃描儀的使用要求和儀器性能，在研究區(qū)內(nèi)選擇一處合適滑坡開(kāi)展了兩期測(cè)量試驗(yàn)，每期測(cè)量間隔1天，在測(cè)量時(shí)監(jiān)測(cè)塊為天然巖石。處理數(shù)據(jù)時(shí)，采用重心法對(duì)5組巖塊的表面進(jìn)行了處理，兩期測(cè)的變形量和坐標(biāo)值如表1和圖3所示。在實(shí)際情況中，滑坡的變形基本保持不變。表1中坡體變形量表明，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)中心處理后得出的測(cè)量結(jié)果比較合理。

圖3 實(shí)地滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1 實(shí)地滑坡變形值 單位：mm

3.3 室內(nèi)滑坡監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與分析

本文在室內(nèi)設(shè)置了滑坡模型，并在模型上設(shè)置降雨裝置，以此研究滑坡在降雨時(shí)的變形。但因?yàn)榛履Ｐ腿鄙儇S富的紋理，所以設(shè)置了6排乒乓球于模型表面，一排4個(gè)，共24個(gè)球，當(dāng)作人工標(biāo)志點(diǎn)。在距離滑坡模型約6 m位置處放置一臺(tái)掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)量，具體如圖4所示。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的降雨后，滑坡的下部慢慢開(kāi)始變形，此時(shí)對(duì)滑坡進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，測(cè)量間隔約為15 min。從滑坡上部往下，挑選了6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)號(hào)1～6，分別為第1、4、6行左右各一個(gè)點(diǎn)。用球體擬合方法對(duì)兩個(gè)掃描時(shí)刻的結(jié)果進(jìn)行處理。處理結(jié)果的三維坐標(biāo)和變形結(jié)果如圖5和表2所示。將安置于滑坡模型上的位移計(jì)、攝影監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算處理后得到的變形值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)基本相同。

圖4 滑坡模型前期布置圖

圖5 室內(nèi)模型滑坡監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，借助三維激光掃描技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)坡體的變形情況是一種可行的方案，并且測(cè)量結(jié)果具有較高的精度。尤其當(dāng)坡體發(fā)生快速變形的時(shí)候，一些測(cè)量設(shè)備會(huì)因地表改變而被破壞，在這種條件下測(cè)量精度不是首要的，重點(diǎn)是測(cè)量點(diǎn)的速度和密度，此時(shí)借助三維激光掃描能夠在短時(shí)間將滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立起來(lái)，達(dá)到對(duì)滑坡預(yù)警的目的。這種滑坡測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)量手段完全不同，處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)有其獨(dú)特的理論和方法。本文通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)和模型監(jiān)測(cè)，為此技術(shù)的應(yīng)用提供了指導(dǎo)和借鑒。隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件功能越來(lái)越全面，掃描儀應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，此技術(shù)將不斷發(fā)展成熟，并廣泛應(yīng)用在監(jiān)測(cè)滑坡工作中。