邱相濤，袁 聰，方 釗

(四川省第六地質大隊,四川 瀘州 646000)

0 引言

崩塌是我國地質災害的常見形式之一,約占全國地質災害的15%,國內外許多崩塌案例都造成了巨大的損失,因此崩塌治理工作在提高生態(tài)環(huán)境安全和保障人民生命財產安全方面至關重要。當前崩塌野外勘查中,地形圖測量方式以全站儀+RTK為主,近年增加了無人機正射投影拍攝測量,測量成果能準確反映地形變化情況,體現(xiàn)崩塌與威脅對象之間平面關系,但對崩塌危巖帶和危巖單體所在立面難以直觀展現(xiàn)。同時由于地形條件的限制,尤其是高陡巖體崩塌,傳統(tǒng)的人工實地接觸式調查方法很難達到預期的效果[1],對危巖體的尺寸、結構面特征、坡面特征等不能準確查明,造成設計工程量與實際施工工程量存在較大誤差,對項目投資和進度造成不利影響。

三維激光掃描技術在各行各業(yè)應用廣泛,它可以在測量相關的很多領域起到良好的作用,同時它具有速度快、精度高的技術優(yōu)勢。在地質災害防治的相關領域,國內已先后有多人都開展了三維掃描技術的研究應用,并取得豐碩的成果。如黃姍等[2]結合具體案例研究三維激光掃描技術在滑坡防治中的應用,取得的效果顯著;舒飛等[3]以四川雅安天全縣發(fā)生的特大規(guī)模的泥石流災害為例,通過三維激光掃描技術獲取了泥石流的高精度三維影像數(shù)據及相應的點云數(shù)據,該資料有效支撐了搶險救災及后期的災后重建工作。董秀軍等[4]將三維激光掃描技術運用在汶川震后都汶公路的快速搶通中,效果十分明顯。黃潤秋等[5]在四川漢源市猴子巖崩滑的現(xiàn)場應急調查及危巖處理項目中,該技術發(fā)揮了十分重要的作用。

1 三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描技術是一種通過非接觸方式獲取空間多目標三維實體數(shù)據的新興測量技術。它不同于傳統(tǒng)的點測量方式,而是利用激光測距的原理,直接將各種大型、較為復雜的實體三維數(shù)據通過設備發(fā)射和接收激光,進而采集到計算機中,并快速重構出實體的點、線、面數(shù)據及相應的三維模型體等各種幾何數(shù)據[6]。三維激光掃描系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成,其中硬件部分主要由三維激光掃描儀、電子計算機、電源、支架等,軟件部分主要為系統(tǒng)配套軟件,主要功能包括圖形拼接、坐標轉換、去噪及修補、DEM的生成等。目前市場應用較廣的三維激光掃描系統(tǒng)劃分為機載型和地面型。本次野外掃描工作采用加拿大Optech公司生產的IRIS 3D地面型三維激光掃描儀,三維激光掃描數(shù)據處理軟件為Poly Works 10.1。

2 工程概況

二登巖崩塌位于四川省敘永縣震東鄉(xiāng)永興村G321國道1729+600 m左側陡崖,為國道修建時開挖形成。崩塌體整體近西南至北東向展布,長約125 m,高約18.00 m～26.00 m,地質羅盤測量其坡向133°～141°,坡度較陡,為69°～82°,局部直立。坡面巖體大面積裸露,崩塌體巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)中厚層狀石灰?guī)r?，F(xiàn)場測量崩塌體巖層產狀260°∠12°,巖體構造節(jié)理和卸荷裂隙發(fā)育,主要發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理:L1:166°～173°∠70°～72°,L2:72°～77°∠82°～86°,巖體被卸荷裂隙、巖層面及構造裂隙切割貫通呈塊狀、板狀,巖腔發(fā)育,崩塌體外側存在高陡臨空面,穩(wěn)定性較差。經現(xiàn)場調查,二登巖崩塌災害體共發(fā)育一個危巖帶,危巖帶面積約2 250 m2,危巖帶內主要發(fā)育8處危巖單體,危巖體大多已有明顯卸荷變形跡象,根據定性分析結果其現(xiàn)狀呈欠穩(wěn)定狀態(tài)。危巖出露巖層為石灰?guī)r,裂隙發(fā)育間距較小,單個塊體體積大小不一,坡面植被發(fā)育,在根劈作用、暴雨或地震作用下可能發(fā)生破壞(見圖1)。近年雨季,多次發(fā)生較大規(guī)模崩塌,對下方國道路面造成破壞且嚴重威脅過往行人、車輛生命財產安全(見圖2)。

3 三維激光掃描

3.1 數(shù)據現(xiàn)場采集

本次數(shù)據現(xiàn)場采集工作采用加拿大Optech公司生產的IRIS 3D三維激光掃描儀。根據本工程邊坡地形地貌條件,選取了2個掃描機位點,機位點位于視野開闊、障礙物較少的地段,力求掃描范圍涵蓋研究區(qū)內詳盡的地形、地貌及崩塌體立面特征。通過對場地周邊進行踏勘,選擇在場地南東側一戶居民樓頂(點1)架設儀器,對崩塌體進行正面全方位掃描。同時,為提高數(shù)據采集質量和精度,在崩塌體底部(點2)對裂隙發(fā)育的WY1危巖體進行細部掃描測量。機位點的定位信息見表1。

表1 機位點定位信息統(tǒng)計表

最終,本次現(xiàn)場數(shù)據采集工作共耗時約3.5 h,共采集點云數(shù)據6 647 367個,針對危巖帶整體及局部典型危巖單體,從2處視角,分別掃描得到了2套點云數(shù)據。

3.2 室內數(shù)據處理

數(shù)據處理使用的軟件為Poly Works 10.1。主要數(shù)據處理內容包括圖形拼接、坐標轉換、去噪及修補、DEM的生成。

在Poly Work 10.1處理軟件中,數(shù)據處理主要流程為新建工程→圖形拼接→坐標轉換→修補處理→模型生成→成果運用。圖形拼接主要是運用圖像相同部位進行定位操作,選取相鄰兩幅掃描點云圖像的3處公共點(不在同一直線上)進行拼接[7],最后得到的完整三維點云數(shù)據圖像由多幅不同視角獲取的點云數(shù)據圖像拼接而成,處理后得到的成果圖像見圖3。

現(xiàn)場掃描得到的點云數(shù)據為獨立坐標系統(tǒng),參考點為掃描機點位置,且受現(xiàn)場條件(植被、電線桿等)的影響和限制,點云圖像會存在一定數(shù)量的干擾信息。鑒于以上原因,須進行數(shù)據的坐標轉換和去噪修補工作,使得掃描數(shù)據完整,且坐標與大地坐標一致。坐標轉換主要是運用圖像與實景相同部位測量數(shù)據對三維掃描點進行坐標賦值,在本次測量過程中,在測區(qū)內選擇3處實景作為標記點,并通過實測其坐標,再進行數(shù)據賦值,從而實現(xiàn)將整個點云數(shù)據圖像點云坐標轉換成為大地坐標。為減少云數(shù)據處理的累計誤差,在提高掃描儀定位點精度的同時,根據實地條件,力求選取的標記點間隔較大距離,均勻分布于測區(qū)內。點云數(shù)據經過圖形拼接、坐標轉換、去噪修補處理后,將地形數(shù)據以三維模型文件導出到其他軟件中進行渲染,最終生成DEM模型。

4 成果應用

4.1 巖體控制性結構面產狀量測

在崩塌勘查工作中,巖體的結構面產狀是最基本的地質參數(shù),是否能準確獲取對邊坡穩(wěn)定性分析起到很關鍵作用,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影響,導致傳統(tǒng)羅盤測量產狀的方法難以實現(xiàn),或某些區(qū)域由于受構造影響,地層產狀在一定范圍內具有較大的變化,三維激光掃描技術能有效解決準確獲取巖體結構面產狀這一技術難題。雖然三維激光掃描技術數(shù)據處理軟件工具欄未直接提供產狀量測功能,但可以通過生成模擬地質結構面,在結構面上布設相關剖面,進而量測結構面相關參數(shù),通過參數(shù)的轉換計算,最終實現(xiàn)巖體結構面產狀量測的目的。

通過現(xiàn)場調查和對獲取的三維數(shù)據進行分析,邊坡體主要受二組陡傾的卸荷結構面控制,由于平整的結構面主要分布在陡壁上,難以直接測量其產狀,而利用數(shù)據處理后的成果能準確地獲取結構面產狀。主要通過在影響邊坡體的主要卸荷結構面上,分別獲取三個不共線點,通過這些點分別創(chuàng)建平面(見圖4),通過反復調整后,保證創(chuàng)建平面與結構面盡量重合,通過查看每個面的屬性,讀取每個面的三個法向量,進而計算出每個平面的產狀。最終得到兩組結構面產狀分別為L1:176°∠75.2°,L2:80°∠83.6°,與現(xiàn)場測量成果相符但更準確。

4.2 崩塌體空間幾何參數(shù)量測

危巖區(qū)巖體內部節(jié)理裂隙發(fā)育,節(jié)理裂隙將巖體切割形成不同形態(tài)的危巖體,一般情況下以小規(guī)模的落石剝落為主,暴雨及地震條件下可形成較大規(guī)模的崩塌,崩落物多以孤石、滾石為主,少量塊石,其落石大小受節(jié)理裂隙發(fā)育間距控制,運動形式多為滾落式,危害較大,可預見性差。形成的危巖體按其坡面形態(tài)特征主要分為鍥型、柱形和方形,其變形失穩(wěn)主要有三種方式:1)巖體下部存在巖腔,在巖體的自重作用下,巖體向下部巖腔發(fā)生掉塊,形成墜落式崩塌。2)由于下部破碎巖體已崩塌脫離母體,從而引起上部巖體失去下部巖體的支撐形成傾倒式破壞。3)由于破碎巖體沿外傾結構面滑動脫離母體,從而引起上部巖體形成滑移式破壞。

根據現(xiàn)場調查,二登巖崩塌破壞模式主要為墜落式,由于該類危巖體巖體結構裂隙發(fā)育,且底部無支撐,為臨空面,受自身重力作用,在地震或者暴雨等外界因素作用下,巖體結構面的強度逐步降低,極可能發(fā)生墜落破壞。針對該類危巖體主要采用人工清危的處理措施,該項措施要求對危巖體的尺寸有較為準確的測量,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影響,導致傳統(tǒng)皮尺、卷尺等測量方法難以實現(xiàn)。造成設計工程量與實際施工工程量存在較大誤差,對項目投資和進度造成不利影響。而利用三維激光掃描技術能有效解決這一難題。三維激光掃描技術處理軟件直接提供距離量測工具,通過錨定邊界點即可測量其距離。

在Poly Works 10.1中,將數(shù)據由對齊模塊輸入至檢測模塊,打開點云數(shù)據,選擇“創(chuàng)建向量特征”進行相應設置就可以畫線或者量測距離。錨定選擇危巖體的邊界點即可量測其長度、高度,危巖體厚度根據剖面圖及量測數(shù)據進行綜合取值。測量得到的危巖體幾何尺寸及體積見表2。

表2 危巖體幾何尺寸及體積統(tǒng)計表

4.3 地質剖面的繪制

地質剖面圖是按一定比例尺表示地質剖面上的地質現(xiàn)象及其相互關系的圖件。它是在勾繪出地形輪廓的剖面上進一步反映出某一或某些地層的產狀、分層、巖性、化石產出部位、地層厚度以及接觸關系等地層的特征。按資料來源和精確程度,分為實測、隨手、圖切剖面圖等。實測地質剖面精度較高,對于崩塌工程治理設計有極為重要的指導作用,但受野外地形因素影響,在崩塌勘查中,實測地質剖面多數(shù)情況下實施難度大,常以圖切剖面代替實測地質剖面,但這有時也造成了較大誤差。三維激光掃描技術處理軟件可以利用掃描獲取的點云文件在邊坡任意位置作出地形剖面,從而為治理工程設計提供準確依據。

在Poly Works 10.1中,利用檢測模塊中的Cross-Section選項,選擇“創(chuàng)建斷面”,選擇對應的方法可在邊坡任意位置作出地形剖面。錨定兩點形成剖面后,將剖面輸出成DXf格式文件,在AutoCAD中進行調整及完善量測危巖體的平均厚度及高度,最終形成地質剖面。危巖帶典型剖面圖成果見圖5。

5 結語

三維激光掃描技術是“繼GPS技術后又一測繪技術創(chuàng)新”[8]。通過運用該技術能有效地提高數(shù)據獲取的速度和精度,并由于其數(shù)字化、自動化、智能化的特性,三維激光掃描技術將在各行各業(yè)蓬勃發(fā)展。將三維激光掃描技術引入并運用在地質災害防治中,將會產生明顯的社會效益、環(huán)境效益和經濟效益。

本文在對危巖體特征進行詳細調查的基礎上,在相對復雜的地形條件和地質環(huán)境中通過非接觸的方式掃描點云數(shù)據,并創(chuàng)建三維立體模型,從而準確獲取崩塌體空間幾何參數(shù)、巖體結構面產狀、地質剖面、影像等數(shù)據,并有效提高數(shù)據的精度,對優(yōu)化設計方案及治理工程布設取得了很好的效果,對同類崩塌工程項目中危巖體的測量具有指導意義。