三維激光掃描技術在淤地壩安全監測中的應用

張 峰, 周 波, 李 鋒, 趙懷禮, 馬 濤, 王彥武, 陳愛華

(1.甘肅省水土保持科學研究所, 甘肅 蘭州 730021; 2.徠卡測量系統貿易(北京)有限公司,北京 100020; 3.定西市安定區水土保持局, 甘肅 定西 743000)

水保監測與應用技術

三維激光掃描技術在淤地壩安全監測中的應用

張 峰1, 周 波1, 李 鋒2, 趙懷禮3, 馬 濤1, 王彥武1, 陳愛華1

(1.甘肅省水土保持科學研究所, 甘肅 蘭州 730021; 2.徠卡測量系統貿易(北京)有限公司,北京 100020; 3.定西市安定區水土保持局, 甘肅 定西 743000)

[目的] 監測黃土高原丘陵地區淤地壩在運行中的緩慢和微小變化,及時發現淤地壩的病險隱患,為科學監測、評價隴中黃土丘陵溝壑區乃至西北黃土高原地區淤地壩安全運行提供依據。[方法] 通過Nove MS 50全站掃描儀對南灣骨干壩和別杜川骨干壩壩體沉降、水平移位及壩體表面侵蝕進行定期激光掃描,利用等間隔的點云記錄壩體和庫岸不規則形態。[結果] 兩期監測對比可以看出,南灣骨干壩接近路面的部分有約1 cm的變化,左側庫岸有明顯的變化,變化量約為0.8 cm,日后極有可能會發生小規模坍塌。別杜川骨干壩整個堤壩在半年的時間內右側部分約有1～2 cm的下降變化,監測結果和管理部門常規監測變形結果一致。[結論] 將三維激光掃描技術應用于淤地壩變形監測,可以及時、準確、全面、直觀獲取淤地壩壩體和庫岸表面數據,使得變形監測工作更加全面、便捷、可信。

三維激光掃描; 淤地壩; 安全監測; 隴中黃土丘陵區

淤地壩是在中國黃土高原丘陵溝壑區產生和發展的，距今有400 a多的歷史[1]。淤地壩作為黃土高原丘陵地區一項防止水土流失，充分利用水沙資源，變害為利，變荒溝為良田的主要工程措施，是利用水土流失的自然過程，集大面積上的水、沙、肥在小塊壩地上使用，從而獲得高產穩產的農田。淤地壩可以迅速的攔截入河泥沙，減少河道淤積，調蓄水資源，還可以以壩代路，方便交通。根據調查統計，經過50 a多的建設，黃土高原地區現有淤地壩11萬余座，淤成壩地3.00×105hm2，可攔蓄泥沙2.10×1010m3[2]。截止2012年底，甘肅省累計建成各類淤地壩586座，其中骨干壩551座，中型壩436座，小型壩586座，這些淤地壩可控制水土流失面積4 038 km2，攔截泥沙2.50×108t，淤地6 269 hm2，修通鄉村道路約2 300 km[3]。由于淤地壩設計洪水為10～30 a，防洪能力低[4]，隨著運行時間的增加及氣候變化等影響，淤地壩存在著滯洪庫容不足，加之壩體外坡侵蝕、漂浮物撞擊、管涌、施工質量差、管護不到位等因素，導致淤地壩放水建筑物損毀、壩體裂縫等病險隱患，加之防汛道路不暢，物資匱乏，淤地壩防汛和安全運行壓力很大。

傳統水利大壩安全監測采用測繪儀器，通過大地測量方法，根據大壩設計文件，結合壩體型式、結構、地質、水文和運行情況等確定變形監測點，進行定期或不定期連續觀測，獲取壩體實體變形情況。近年來，采用三維激光掃描技術對水利大壩實行定期掃描，生成高精度三維點云數據，實現了近似復制測量對象的目標，對關鍵變形點精確監測，觀測結果更客觀真實。對大壩監測數據處理的理論主要有數學模型、空間位移統計模型和模糊數學分析法等[5]。目前淤地壩安全監測主要依據庫壩破壞痕跡來推測淤地壩水毀過程，還未能真正實施對淤地壩從建壩到水毀的動態監測[4]，不能有效地對病險淤地壩水毀進行預警，無法建立起完善的淤地壩水毀風險評估體系。

淤地壩安全監測是為了了解壩體運行狀態及發展趨勢，保證其安全運行的重要措施，也是檢驗設計成果、檢查施工質量和認識壩體各種參量變化規律的有效手段，主要包括變形監測、泄水建筑物和溢洪道的損壞程度監測、控制壩體及壩區監測等。通過監測數據分析可以掌握淤地壩實際工作形態與各種環境影響因素之間的關系，了解觀測變量的波動范圍和正常變化規律，當異常情況或不利發展態勢發生時可以及時察覺并采取相應的補救措施，從而防止壩體從量變發展到質變破壞，避免重大事故的發生。三維激光掃描技術是全新測繪技術，它突破了傳統單點測量方法的不足，具有獲取數據速度快、成果精度高、非接觸測量等諸多優勢，已廣泛的應用于變形監測、數字城市、自然災害調查、GIS 級虛擬現實以及巖體結構面統計、交通事故現場模擬等領域[6]。本研究擬利用三維立體掃描技術，對隴中黃土丘陵溝壑區定西稱鉤流域南灣和別杜川骨干壩壩坡變形進行定點定期掃描監測，以期為科學監測、評價隴中黃土丘陵溝壑區乃至西北黃土高原地區淤地壩工程建設安全性能提供技術探索。

1 研究區概況

1.1 研究區自然概況

稱鉤流域位于甘肅省定西市安定區西北部，距離市區45 km，屬黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區，系黃河流域祖厲河水系二級支流，流域總面積118 km2。地理位置介于104°14′15″—104°28′31″E， 35°41′7″—35°35′10″N。流域內梁峁起伏，溝壑縱橫，海拔1 957～2 273 m，相對高差316 m。流域主溝道長17.5 km，比降1/230，由花園、李家坪、雙樂、新勝4條支流匯聚而成。流域內大于3 km2的支溝有14條，小于3 km2的支毛溝有24條，溝壑密度2.72 km/km2。地質構造為隴西旋卷構造體系內旋回褶帶的一部分，主要有泥巖、砂巖、礫巖、石灰巖、泥灰巖、黏土巖類等沉積巖，基巖上為第三系上新統臨夏組的紅砂巖系及第四紀黃土所覆蓋，表巖多為黃土層覆蓋，溝谷下部有紅土出露。流域屬中溫帶半干旱氣候，多年平均氣溫6.3 ℃，≥10 ℃積溫2 239 ℃，年日照時數2 500 h，無霜期141 d，降雨總量少，時空分布不均且利用率低。多年平均降水量380 mm，多集中在7—9月，且多以暴雨形式出現。年蒸發量高達1 500 mm以上。流域內土壤主要有黃綿土、黑壚土、潮土及灰鈣土4大類，其中以黑壚土分布最為普遍，主要在溝谷階地和陰坡耕地，黑壚土質地較輕，結構性好，有機質含量平均為1.075%，全氮0.08%，全磷0.06%，速效鉀125.7 mg/kg，是良好的耕作土壤，約占總土地面積的80%；黃綿土主要分布在梁峁陡坡、溝谷邊緣及稱鉤河耕地；紅土分布在溝谷部分滑坡面及谷底；灰鈣土在陽山陡坡呈帶狀分布；潮土只在溝谷下游臺地有分布。流域內地形破碎，土質結構疏松，抗蝕性差，加之人類經濟活動頻繁，長期以來水土流失一直是制約當地經濟發展的瓶頸因素。嚴重的水土流失，導致了流域內土壤肥力降低，土地生產力下降，嚴重影響了當地的農業生產，致使生態環境惡化。

1.2 研究區壩系建設現狀

全流域現有治溝骨干工程20座，其中2004年之前修建完成高家岔、寇家川、舊莊嘴、秦家岔、紅土莊5座骨干壩，依據2007年5月《甘肅省水利廳、甘肅省發展和改革委員會以甘水發[2007]119號》文件，流域新修建骨干壩15座、中型壩22座、小型壩32座，骨干壩總控制面積88.15 km2，總庫容1.29×107m3；中型壩22座，總控制面積26.87 km2，總庫容2.63×106m3；小型壩32座，總控制面積21.39 km2，總庫容1.48×106m3。骨干壩與中、小型壩的結構比例為1∶1.1∶1.6。

1.3 典型研究壩概況

1.3.1 南灣骨干壩 南灣骨干壩2005年4月1日開工，2007年5月4日竣工。壩控流域面積4.15 km2，工程設計等級為Ⅴ等，建筑物級別為Ⅴ級。按20年一遇洪水標準，洪量模數3.69×104m3/km2，設計洪水總量1.53×105m3，200年一遇洪水標準校核，洪量模數7.36×104m3/km2，校核洪水總量3.05×105m3，侵蝕模數為5 600 t/(km2·a)。設計淤積年限為18 a，淤積總量3.22×105m3，淤地面積4.6 hm2。該工程樞紐由土壩和放水建筑物2大件組成，土壩為黃土均質土壩。最大壩高25.5 m，相應高程1 967.5 m，總庫容6.27×105m3，其中滯洪庫容3.05×105m3，滯洪壩高5.8 m，相應高程1 966.0 m，攔泥庫容3.22×105m3。攔泥壩高18.2 m，相應高程1 960.20 m。壩頂寬4 m，壩頂長61 m，迎水坡和背水坡壩坡均為三級坡，在高程1 962,1 952 m處設置馬道，馬道寬1.5 m，迎水坡上部坡比、中部坡比、下部坡比均為1∶3.0，背水坡上部坡比、中部坡比、下部坡比均為1∶3.0。放水建筑物為涵、臥管形式，由臥管、消力池、涵管和尾水消力池組成。目前工程運行良好，庫區存水量不大，主要供應周邊牲畜生活和生產用水。

1.3.2 別杜川骨干壩 別杜川骨干壩2005年4月28日開工，2007年9月10日竣工。壩控流域面積6.0 km2，工程設計等別為Ⅴ等，建筑物級別為Ⅴ級。按20年一遇洪水標準，洪量模數3.69×105m3/km2，設計洪水總量2.21×105m3，200年一遇洪水標準校核，洪量模數7.36×104m3/km2，校核洪水總量4.416×105m3，侵蝕模數為5 600 t/(km2·a)。設計淤積年限為18 a，淤積總量4.65×105m3，淤地面積7.50 hm2。該壩為黃土均質土壩，最大壩高27 m，高程1 963.00 m，總庫容9.068×105m3，其中滯洪庫容4.416×105m3，滯洪壩高5.5 m，高程1 961.5 m，攔泥庫容4.652×105m3。攔泥壩高18.5 m，高程1 956.50 m，土壩最大壩高27 m，壩頂寬4 m，壩頂長88.5 m，迎水壩坡和背水壩坡均為三級坡，在1 946.00,1 956.00 m處設置馬道，馬道寬1.5 m，迎水坡、背水坡的上部、中部、下部坡比均為1:3.0。放水建筑物為涵、臥管形式,由臥管、消力池、涵管和尾水渠組成。經現場調查，該骨干壩涵管和壩后尾水渠有損毀，迎水坡受道路來水沖刷，局部存在陷穴，目前空庫運行。

2 研究方法

2.1 監測設備

HDS(high definition surveying)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術。它是用三維激光掃描儀獲取目標物表面各點的空間坐標，然后由獲得的測量數據構造出目標物的三維模型的一種全自動測量技術。主要通過脈沖測距法測量被測點與觀測站之間的距離S，然后根據橫向觀測角θ和縱向觀測角度α，通過公式計算得出任一掃描點的空間相對坐標[6]。徠卡Nove MS50全站掃描儀采用WFD激光測距技術，測量精度高，免棱鏡測量距離高達2 000 m，測距速度提高一倍，掃描速度最高可達1 000 點/s，掃描距離可達1 000 m，100 m處點位精度達到0.8 mm。該儀器集成了高精度全站儀技術、高速3D掃描技術、高分辨率數字圖像測量技術以及超站儀技術等多項先進的測量技術，具有快速性、采樣率高、實時性、動態性、主動性、非接觸性、全數字特征、自動化等優點。MS50全站掃描儀在地形測量、土石方測量、變形監測、數字化建模等領域有突出應用[7]。

2.2 監測方法

通過Nove MS 50全站掃描儀對南灣骨干壩和別杜川骨干壩壩體沉降、水平移位及壩體表面侵蝕進行定期激光掃描，通過等間隔的點云記錄壩體和河道不規則形態，采集海量點云數據，利用徠卡infinity cyclone軟件建立形態變化數據庫，將保存的數據進行形態分析，分析結果以色譜及數據的格式呈現。通過后期的軟件分析處理，旨在論證多周期三維激光掃描觀測進行淤地壩壩體形變分析的可行性。

2.3 監測過程

2.3.1 現場監測 由于測試現場無已知控制點，也沒有RTK等設備，通過自定義獨立坐標系統來完成測站的架設，且由于現場地勢復雜，地質較松軟，掃描范圍較大，為了提高架站的效率及保證架站位置穩定性，現場通過后方交會的方式進行架站，現場監測總共從A0-A8架設8站，HJ01及HJ02作為后視點，進行輔助設站。為了確保研究的客觀時效，本次研究從汛期開始，第1期測試掃描在(2015/06/17)實施，歷時2 d，第2期測試掃描在(2015/12/02)實施，歷時2 d。

2.3.2 內業數據處理 利用徠卡infinity軟件導入各站數據，考慮到掃描時行人、植被等采樣盲區干擾，通過設定偏差限制和迭代次數，對原始點云空間數據進行濾波、去噪等預處理后，將誤差降低到最小，為了確保模型更接近真實，利用空間差值對數據進行修補，對數據整合后生成格網及等高線，并對各站數據依據設站時的空間絕對坐標實現自動拼接，利用預處理所得的點云數據，在Geomagic Studio軟件中進行建模，對點云數據進行封裝處理，用大量空間三角形面來逼近還原實體，然后用填充孔命令將缺失數據補齊，最后使用快速光順來去除表面的不光順處。

通過infinity軟件的contour功能，在DEM的基礎上可自動生成等高線，主次等高線的間隔可以自定義，等高線的寬度及顏色均可自行設定。

3 結果與分析

通過徠卡Infinity軟件導出點云通用PTS格式，然后將導出的pts數據導入到3D reshaper軟件中，在3D reshaper中對數據進行裁剪處理后，然后生成不規則三角形網絡，最后生成表面模型。南灣骨干壩第2周期掃描數據三維模型詳見圖1。別杜川骨干壩第2周期掃描數據三維模型詳見圖2。

圖1 南灣壩第二周期掃描數據三維模型(20151202)

利用南灣骨干壩和別杜川骨干壩第1,2期三維掃描模型對比，進行表面監測分析，來研究壩面的變化，并設置合理的色譜帶，不斷調試，使得表現效果最佳，可通過注記信息進行標記，顯示實際變化量及變化的方向。

南灣骨干壩經過第一、二期三維掃描模型對比分析，壩坡種植苜蓿的區域大約有60～70 cm的一個變化，而沒有植被的部分變化不明顯，經過與現場實際照片對比，可以得知植被的生長對三維掃描監測的精度有顯著影響。

將色譜帶的變化范圍進行調整，調整至最大負值范圍-0.12 m，南灣骨干壩接近路面的部分有約1 cm的變化，左側庫岸有明顯的變化，變化量約為0.8 cm，日后可繼續觀察其變化，如再發生變化，極有可能會發生小規模坍塌。別杜川骨干壩壩坡及庫岸變形監測經過第一、二期三維掃描模型的對比分析，與前一期數據相比，整個堤壩在半年的時間內，右側部分約有1～2 cm的下降變化，監測結果和管理部門常規監測變形結果有一致性。

圖2 別杜川骨干壩第二周期壩面三維模型(20151203)

4 結論與討論

淤地壩作為黃土高原丘陵地區主要工程措施，多年來監測主要圍繞淤地壩蓄水攔沙、生態、經濟、社會效益目標進行，多采用定點監測、調查統計和宏觀分析等方法。

隨著全球氣候異常變化和淤地壩運行時間的增加，淤地壩防汛和安全運行壓力很大。但淤地壩在運行中的變化都是緩慢和微小的，如果變化一旦明顯異常，往往已經對壩體安全構成嚴重威脅，因此淤地壩安全監測及風險評估體系亟待完善。

本研究將三維激光掃描技術應用于淤地壩變形監測，對數據采集、處理、建模、提取變形特征點等進行了研究嘗試，說明了利用三維激光掃描技術可及時、準確、全面、直觀獲取淤地壩壩體和庫岸表面數據，使得變形監測工作更全面、更便捷，監測方法可行，結果可信。但研究也發現由于三維激光掃描獲取的數據量大，信息量豐富冗雜，因此數據的算法和模型構建及試驗數據驗證亟待完善。

下一步將在淤地壩壩體內埋設傳感器等輔助方法，配合滲透觀測傳感器等儀器設備，使用高效率、高精度、非接觸性的測量技術，使淤地壩安全監測進一步向系統化、即時化、智能化、網絡化方向發展。

[1] 李婧.淤地壩監測技術初探[J].水土保持通報:2003,23(5):50-52.

[2] 喻權剛,馬安利.黃土高原小流域淤地壩監測[J].水土保持通報:2015,35(1):118-123.

[3] 姚進忠,雷升文,張軍,等.甘肅省淤地壩建設基本資料匯編[M]∥甘肅省水利廳,2013:283-284.

[4] 李莉,王峰,孫維營,等.黃土高原淤地壩水毀問題分析[J].中國水土保持:2014(10):21-22.

[5] 崔少英,包騰飛,裴堯堯,等.基于模糊數學的大壩安全監測數據處理方法[J].水利水電能源科學,2012,30(11):45-46.

[6] 孔金玲,楊笑天,吳哲超,等.基于三維激光掃描技術的高速公路滑坡體建模及應用[J].公路交通科技,2015,132(12):12-13.

[7] 丁點點.三維激光掃描技術在滑坡變形監測中的應用[J].湖南城市學院學報:自然科學版,2016,25(4):3-4.

Applicationof3DLaserScanningTechnologyinSafetyMonitoringofSiltDams

ZHANG Feng1, ZHOU Bo1, LI Feng2, ZHAO Huaili3,MA Tao1, WANG Yanwu1, CHEN Aihua1

(1.InstituteofSoilandWaterConservationofGansuProvince,Lanzhou,Gansu730021,China; 2.LeicaGeosystemsCo.,Ltd.inBeijing,Beijing100020,China; 3.SoilandWaterConservationBureauofAn’dingDistrict,DingxiCity,Dingxi,Gansu743000,China)

[Objective] To monitor the slow/slight change in the loess plateau hilly region in the operation of silt dam and to detect the risk of dam breach in time by 3D laser scanning technology, to provide the bases for scientific monitoring of the silt dam engineering and for safety evaluation in the Middle Gansu loess hilly and gully area, and for silt dams safety in Northwest Loess Plateau as well. [Methods] The settlement, horizontal displacement and surface erosion of Nanwan and Bieduchuan backbone dam were termly scanned by Nove MS 50. The dam and river irregular shape were recorded by equally spaced point cloud and the deformation of silt dam body was analyzed accordingly. [Results] The comparison of two-stage monitoring results showed that there were 1 cm around changes near the road surface in Nanwan backbone dam map, and an obvious change also was found on the left reservoir bank. The change was about 0.8 cm, which might potentially resulted to small-scale collapses. In half year duration, Bieduchuan backbone dam had an about 1～2 cm decline in the right part. Our monitoring results were consistent with the routine monitoring results from the management department. [Conclusion] The accurate, comprehensive, intuitive monitoring data of dam and bank surface obtained timely from 3D laser scanning technology can make the deformation monitoring work more comprehensive, convenient and credible.

3Dlaserscanning;checkdam;safetymonitoring;MiddleGansuloesshillyregion

B

1000-288X(2017)05-0241-04

S157.1, P234.4

文獻參數： 張峰, 周波, 李鋒, 等.三維激光掃描技術在淤地壩安全監測中的應用[J].水土保持通報，2017,37(5)：241-244.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.040； Zhang Feng, Zhou Bo, Li Feng, et al. Application of 3D laser scanning technology in safety monitoring of silt dams[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：241-244.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.040

2017-03-24

2017-04-16

國家重點研究計劃項目“黃土丘陵溝壑區壩系安全運行與資源高效利用技術”(2017YFC0504704)； 甘肅省水利科研推廣計劃項目“黃土丘陵溝壑區淤地壩安全監測與評價技術研究”(2014-223-5)

張峰(1975— ),男(漢族),學士,正高級工程師。主要從事水土流失規律與水土保持監測技術研究。E-mail:zhangfeng_lz@163.com。