三維激光掃描技術在地質災害體測繪生產中的應用

陳世坤

（四川峨眉山地質工程勘察有限責任公司，四川 樂山 614000）

前言：作為新興測繪技術，三維激光掃描技術近年來在我國工程建設等領域廣泛應用，具備高精度、高效率優勢，通過對新型空間信息數據獲取手段與工具的集成，該技術在地質災害體測繪生產中也具備較高應用價值。為保證滑坡地質災害體測繪生產中三維激光掃描技術得到科學應用，正是本文研究目標所在。

一、地質災害體測繪生產中三維激光掃描技術的應用方法

（一）技術原理

作為測繪領域的技術革命，三維激光掃描技術能夠突破單點變形觀測的傳統模式限制，通過數據采集的“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應用展開，該技術主要由軟件控制平臺、數據處理平臺、掃描儀旋轉平臺、數碼相機、三維激光掃描儀等組成，本質上屬于新型空間信息數據獲取手段，集合多種高新技術于一身。三維激光掃描儀由激光掃描系統和激光測距系統組成，部分三維激光掃描儀還集成有WLAN 天線設備、GPS 接收機、數碼相機、校正系統、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、移動式激光掃描系統。激光掃描系統能夠實現對距離信息、角度信息、強度信息等觀測數據的直接獲取，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據點具體三維坐標值，反射點顏色賦予由強度信息負責。

（二）應用方法

本文研究主要圍繞地面型三維激光掃描技術在滑坡地質災害體測繪生產中的應用展開，通過對滑坡體進行掃描監測，可以得到一個面上不同點的數據，掃描物體的表面由此形成。云數據處理需要圍繞“點群”單位進行，為實現對監測物獲取，需結合點云數據提供的大小、形狀、紋理、顏色、色調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，點云數據能夠識別這類巖石塊得到獨立個體。另一種形式需要布設便于識別、簡單的物體，這種形式適用于大量裸露土體的滑坡體，以此替代適合監測的天然地物；地面型三維激光掃描技術應用還需要開展坐標計算，需要將選擇的監測物視作均勻物質，以此結合點云數完成監測物重心的三維坐標計算，得到“同名點”。相較于全站儀、GPS 能夠對監測點進行直接測量獲取三維數據，地面型三維激光掃描技術應用需要對同名點三維坐標數據進行計算，這種計算存在相對較低點位精度，但存在更多的監測物數量，效率更高，即便需要布設標靶也存在更高效率；在地面型三維激光掃描技術應用的點云數據處理過程中，可應用成熟的處理軟件，如3DReshaper 軟件、SouthLidar 軟件等，具體處理過程涉及數據編輯、數據配準、數據拼接、數據比較等內容。數據編輯環節需要將粗差剔除，點云數據與建模無關的需要剔除。數據配準需要進行同名點尋找，測量獲取的點云數據和同名點需要開展坐標轉換，具體需要向控制點和基準點統一的坐標系統轉換，同一測站獲得的基準點、控制點、同名點需要構成整體。數據拼接需結合不同測站公共點坐標，將對應點云數據向統一坐標系統中轉換，構成整體。數據比較需要開展被測區對應實體模型建設，這需要充分應用點云數據。在滑坡地質災害體測繪生產中，需要對各個監測物進行虛擬“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據進行計算，僅需要比較分析“重心”坐標。

二、地質災害體測繪生產中三維激光掃描技術的具體應用

（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展變化趨勢、巖體結構面滑移方向和滑移量，需圍繞其開展地質災害體測繪。為得到連續、全面、完整、關聯的監測數據，該地質災害體測繪生產應用地面三維激光掃描技術。在地面三維激光掃描技術的具體應用中，需要做好對相關地質災害資料的收集，并對滑坡地質災害的形成條件、分布規律、形成機理開展深入研究，以此完成監測區域的科學劃定，制定基于三維激光掃描技術的地質災害體測繪生產方案，完成地質災害體監測，具體流程涉及收集和整理資料、實地踏勘、監測方案制定、掃描準備、掃描監測、拼接圖形、掃描完全判斷、處理數據、分析成果。

（二）準備工作

在應用地面三維激光掃描技術前，需做好儀器準備并布設監測點和基準點。儀器準備環節需要準備的儀器包括2 臺計算機、1 套徠卡數字水準儀、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；在布設監測點和基準點的過程中，基準點需要結合所在區域遙感地圖完成布設，在進行實地踏勘后，測量人員共布設基準點6 個，選擇滑坡體對面山坡較高處的穩定區，為滿足監測掃描需要，同時在基準點建設強制對中觀測墩。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，結合地面三維激光掃描技術應用方案，共布置監測點8 個，選擇能夠對地質災害體變化進行反映的位置，同時進行標靶埋設，滿足三維激光掃描儀識別需要。

（三）監測掃描

在基于地面三維激光掃描技術的監測掃描過程中，為得到高可靠性監測成果，選擇“四個固定”方式開展監測掃描，即通過固定三維激光掃描儀開展每期監測，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完成每期監測，圍繞固定的基準標靶開展各掃描站每期監測，采用固定不變的各掃描站每期掃描參數。

（四）數據處理

針對性處理監測數據同樣屬于地面三維激光掃描技術應用重點，為實現對地質災害體變形情況的準確反映，對于應用地面三維激光掃描技術獲取的點云數據，必須針對性處理，具體處理涉及五方面內容：第一，數據預處理。點云數據預處理需要拼接多站坐標數據，同時開展完整性分析，明確需要監測的地質災害體是否完全得到掃描，如發現地質災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據得到補充；第二，數據去噪。外部環境、儀器等因素會導致地面三維激光掃描技術在應用中產生噪聲點，這種噪聲點可通過人工處理和平滑濾波結合方法去除，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，將整合地質災害體各期點云數據向1985年國家高程基準和CGCS2000坐標系統一轉換；第四，提取監測點坐標。結合監測點的標靶，完成各期監測點坐標提取，為成果分析使用提供依據；第五，生成地質災害體三維表面模型。數據去噪處理后，需要進行分類，地物、植被等非地貌部分點云數據需要由此剔除，以此得到三維表面模型，為地質災害體結構面細節變形分析和整體發展趨勢分析提供基礎模型。

（五）監測成果分析

1.監測點成果分析

結合從2020 年6 月22 日、2020 年12 月9 日共兩期觀測數據中的8 個監測點成果進行分析，可以得到表1 所的監測點成果表。

表1 監測點成果表

結合表1 進行分析可以發現，該地質災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。滑坡軸位置的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現，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。總的來說，該地質災害體隨時存在潛在的威脅，必須開展重點監測，保證預報、預警工作嚴格落實。

2.斷面線成果分析

地質災害體的位移情況對比可圍繞無植被覆蓋區的陡坎位置進行，三維DEM 對比需要將植被去除并進行TIN 構建，這會帶來一定程度精度損失，為將相關影響降到最低，選擇斷面切點云截面進行前后期的地質災害體的具體變化，這種對比在精度把控方面優勢明確，能夠直接開展。前后兩期掃描點云數據在空間坐標歸化后需要結合實際坐標進行疊放，縱剖面需選擇需要分析的位置獲取，地質災害體的變形情況可通過對同一位置縱剖面對比明確。具體選擇地質災害體滑坡軸剖切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據單位，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、第一期掃描地質災害體軸剖面，由此可確定位移情況，較大位移在中部出現，底部和上部存在較小位移。

3.點云模型成果分析

地質災害體點云數據通過3DReshaper 軟件開展分類，將地物、植被等非地貌部分點云數據剔除后，可得到三維表面模型，圖2 為一期、二期掃描點云數據。

結合圖2 進行對比可以發現，地質災害體存在整體位移，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

研究對象地質災害體存在小型臺階裂縫，但在應用地面三維激光掃描技術的掃描過程中，標靶和監測點未能設置在小型臺階裂縫邊緣處，這使得小型臺階裂縫無法結合三維表面模型或點云數據直接獲取長度、寬度等尺寸信息和變形情況。考慮到裂縫底部位置高低不一且存在不規則性特點，單一高程信息獲取難度較高，因此地質災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。結合地質災害體三維表面模型和3DReshaper 軟件，得到對應小型臺階裂縫模型等高線，通過DXF 文件以二維預覽的方式將其導入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。

結合圖3 進行分析可以發現，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。隨地質災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測并做好預警工作。地質災害體結構面細節變形詳細數據能夠由裂縫分析提供，災害預防和控制能夠由此獲得可靠資料與科學依據。

結論：綜上所述，三維激光掃描技術能夠較好用于地質災害體測繪生產。在此基礎上，本文涉及的準備工作、監測掃描、數據處理、監測成果分析等內容，在提供了可行性較高的三維激光掃描技術應用路徑。為更好開展地質災害體測繪生產，多源數據支持監測、測站與參數設置優化等方面同樣需要得到重視。