三维激光扫描技术在高边坡危岩体调查中的应用与讨论

黄 江，石豫川，吉 锋，段伟锋

（1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2．中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 310014）

三维激光扫描技术在高边坡危岩体调查中的应用与讨论

黄 江1，石豫川1，吉 锋1，段伟锋2

（1．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2．中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 310014）

高边坡危岩体传统调查难度大，危险性高，三维激光扫描技术的高效率、高精度、远距离非接触测量等优势弥补了传统地质勘察方法的缺点。利用三维激光扫描技术可优化传统地质调查过程，且室内数据处理软件技术成熟，可实现对危岩体的定量分析，如：危岩体几何尺寸测量，高精度危岩剖面图，结构面产状、迹长、连通率、间距等测量，危岩体三维坐标精确获取及危岩体边界范围准确界定等；另外，通过三维激光扫描技术后处理软件的二次开发，并对建立信息化危岩稳定性评价系统进行初步研究，从理论上论证了其可行性。由此可见，三维激光扫描技术在高边坡危岩体调查中具有较高的应用价值与广阔前景。

危岩体；高边坡；三维激光扫描技术；多元化应用

1 研究背景

挽近期来，西南地区构造活动强烈，自然地质作用发育，河流急剧下切形成高山峡谷，高边坡环境多数较为恶劣，复杂岩体中高边坡稳定性成为当今地质工作者的研究热点［1］。危岩体崩塌是山区高边坡主要的地质灾害类型之一，指陡峭边坡上被结构面切割，在重力、风化营力、地应力、地震、水体等作用下与母岩逐渐分离，从而处于欠稳定、不稳定或极限平衡状态的岩体［2－3］。危岩体现场调查主要是确认其几何尺寸、边界条件、控制性结构面特征、可能失稳方式、可能运动轨迹及对水工建筑的危险性等。其所处高陡边坡，岩体结构破碎等恶劣地质条件，使得现场调查人员难以到达，也十分危险，在这种情形下，传统的地质调查方法受到限制，急需一种非接触、快速、准确的调查技术。三维激光扫描技术又称实景复制，能够完整并高精度地收集被扫描实物的三维数据，直接做到将实物转化为三位数据模型，其激光点云都是直接采集目标真实数据，完全真实可靠，三维激光扫描技术的高效率、高精度、远距离非接触测量等优势弥补了传统地质调查方法的缺点。

黄润秋、董秀军等［4－5］将三维激光扫描技术应用于高边坡调查及获取高精度DTM的研究中；Zhou Y．等［6］应用三维激光扫描仪在地形变化监测和分析；刘宏等［7］将该技术应用于边坡岩体结构的研究中；霍俊杰等［8］在岩体结构精细测量中也采用了三维激光扫描技术；徐进军等［9］研究了边坡变形监测中三维激光扫描技术的应用；刘卫华等［10］对危岩体调查中应用三维激光扫描技术进行了初步探讨。以上研究虽将三维激光扫描技术应用于工程地质，但将该技术多元化应用于危岩体调查研究却较少，本文借鉴工程实例经验，讨论三维激光扫描技术在危岩体调查中的工作思路及应用效果，表明其在危岩调查中的应用价值和前景。

某水电站自然边坡高达450 m，坡度40°～60°，纵向呈上陡下缓，横向沟梁相间，临空条件优越；边坡软弱岩夹杂，岩性复杂，由长英质变粒岩、石英岩及二云英片岩互层，差异性风化有利于危岩形成；研究区无大断层，但Ⅳ，Ⅴ级结构面较为发育；有钻孔资料显示强风化厚度为0．7～17．2 m不等，强卸荷带水平深度一般约32．0～56．2 m，垂直深度一般为37．0～82．0 m不等。边坡危岩较为发育，尤其是高位危岩，地形陡峻，不具备现场调查条件，其失稳后可能对水工建筑造成毁灭性破坏，如何精准判定危岩体边界及稳定性，对水电站修建具有重要意义。

2 三维激光扫描技术工作路线

三维激光扫描技术由软件和硬件2方面组成，硬件包括三维激光扫描仪、发电机、计算机、罗盘等；软件包括PolyWorks，Controller，Parser等应用软件。本次扫描采用加拿大Optech公司生产的ILRIS 3D扫描仪，有效测距3～1 000 m，采样率2 000点／s，精度达毫米级；数据处理软件采用PolyWorks。通过多个水电站高边坡危岩调查工作经验，初步总结三维激光扫描技术在危岩调查中的工作路线，如图1所示。在测站选取时要避免出现扫描盲区。

图1 三维激光扫描技术工作路线Fig．1 The work route of 3-D laser scanning technology

3 在高边坡危岩体调查中的应用分析

3．1 扫描点云坐标与大地坐标拟合

三维激光扫描仪所获取的点云有其自己的坐标系统，要将这些数据应用于实际工程中，需要将原始坐标系转化为实际大地坐标系。在现场调查时可用全站仪测量被扫描目标3～6个点的大地坐标，在Polyworks的IMinspect模块中打开扫描点云图，找出相应定点的位置，再导入它们的大地坐标，通过坐标转换，可得出大地坐标与原始坐标的转换矩阵，该换算拟合过程可通过软件中的align功能实现。在实际操作中，坐标拟合的精度尤为重要，可以通过一些数学方法减少误差，比如多次迭代减少误差，去除个别干扰点等方法。研究区三维激光扫描坐标拟合图及其精度如图2、表1。通过拟合坐标偏差分析可得，¯Vi＝16 cm，精度为厘米级，而危岩尺寸一般为米级，因此该拟合精度可以满足危岩调查要求。

图2 三维激光坐标拟合图Fig．2 Three-dimensional laser coordinates fitting

表1 坐标拟合表Table 1 Resu lt of coordinates fitting

3．2 几何尺寸测量

研究区危岩体所处位置陡峻险恶，且危岩体本身自稳性不好，部分危岩体现场不具备攀爬测量条件，传统的地质调查方法可能无法对危岩体的几何尺寸进行近距离测量，而三维激光扫描技术的优势弥补了传统地质调查这方面的缺陷。通过三维激光扫描技术，可以准确地获取危岩体的长、宽、高、相对高差、水平距离、坡度等几何尺寸数据（如图3、图4、表2），为危岩体的稳定性评价、防治措施等提供了可靠的基础资料。

图3 几何尺寸测量Fig．3 M easurement of geometric dimensions

表2 量取的几何尺寸Table 2 M easured geometric dimensions

3．3 控制性节理产状测量

控制性节理产状的测量是危岩调查的重要环节，但对于高陡边坡危岩体结构面产状的近距离测量十分困难。利用三维激光扫描技术找出扫描图中出露的结构面，在该出露面上选取不在同一条直线上的3个点来拟合预测结构面，最后通过3个点的三维坐标换算出结构面产状，但手工计算产状工作量大。董秀军等［11］通过对数据处理软件的二次开发，研发了能直接计算并显示产状的实用程序，工程实践证明该方法测量产状精确且简便，与实测结果十分接近，危岩体的结构面产状（图5）与拟合产状对比见表3。

图4 现场照片对比Fig．4 Site photo for comparison

图5 危岩体控制性结构面产状Fig．5 Structural plane occurrence of the controlled perilous rock mass

表3 实测产状与三维解译产状对比表Table 3 Comparison of occurrence between in-situ measurement and 3-D interp retation results

3．4 危岩体准确定位

在危岩体调查中，准确定位危岩极为重要，其方便指导工程防治施工。传统定位方法是现场确定危岩后在地形图或遥感图中圈出来，但由于地形图的比例差异以及不同人对于三维投影在二维图上的认识，导致传统定位的偏差很大，对于现场施工的指导意义不大，施工单位往往需要地质人员在现场进行指认，导致施工进度缓慢，费时费力。

利用三维激光扫描技术解译危岩体边界条件后，可将边界点三维坐标准确导入工程地质平面图中，施工人员通过放点就能准确找到危岩的具体位置。但三维扫描图彩色效果不明显，直接解译危岩有一定难度，通过工程实践，总结出一个将二维的数码拍摄与三维激光扫描相结合的危岩快速定位方法（图6）。参考二维照片在三维图中圈出危岩相应位置时，可以将三维图进行任意角度旋转，使其视角与拍二维图视角相近（三维激光扫描仪内置相机，扫描同时将对扫描对象进行二维拍照），在相近视角下可以很精确在三维图中圈出危岩位置。

图6 二维与三维技术相结合的危岩定位新思路Fig．6 New framework of positioning perilous rock by combining 2-D and 3-D technologies

3．5 高精度危岩体剖面图

传统获取地形剖面图有2种方法，一种是利用皮尺＋罗盘的现场测量，但在高陡且存在危岩边坡基本无测量条件；另一种是利用地形等高线切取，但对于不同比例尺图件切制出的剖面线差异很大，且局部微地形也难以反映出来。

利用三维激光扫描图获取危岩二维剖面图，操作简单快捷，能高精度反映微地貌，对于大型危岩的计算模型，能提供十分精准的剖面图（如图7）。

4 建立信息化危岩稳定性评价系统

陈洪凯等［3］对危岩分类识别系统的开发，引导危岩研究进入信息化时代，使得危岩分类判定变得便捷、高效；董秀军等［11］研发了Polyworks地质应用的二次开发程序。基于前人对危岩信息化研究的启发，现依据三维激光扫描技术对建立信息化危岩稳定性评价系统作初步研究，讨论对数据后处理软件Polyworks进行二次开发并建立信息化危岩稳定性评价系统的理论可行性。

图7 某大型危岩体三维数据与剖面图Fig．7 Three-dimensional figure and geological profile of a large perilous rock

危岩体稳定性系数计算公式中的不定量参数主要有危岩体的类型、几何尺寸、迹长、结构面强度参数、岩体参数等［3］。

危岩类型和岩体参数属于少变量，可以用手动输入或选取的方式录入；危岩的几何尺寸、迹长及主控结构面强度参数是常变量，不同危岩取值不同，利用三维激光扫描技术准确获取危岩几何尺寸、迹长等已在文中阐述，且通过实践发现操作快速、精准，而危岩结构面强度参数的确定是个难点，一般选用经验范围值，但稳定性系数对结构面参数相当敏感，利用“经验范围值＋定量计算”相结合的方法将使参数赋值更加合理。Barton的JRC-JCS模型［12］是结构面强度参数理论计算的现场最简便方法，在Barton理论公式中最难确定的是结构面粗糙度系数JRC，利用三维激光扫描技术可获取结构面起伏轮廓曲线，参考黄润秋等［13－14］等对JRC的量化研究公式，可确定结构面粗糙度系数，进而用定量的方法计算结构面的强度参数。

因此，危岩稳定性系数计算中不确定参数在三维激光扫描技术的辅助下可基本完成录入，可见对三维激光扫描技术后处理软件进行二次软件开发，建立信息化危岩体稳定性评价系统从理论上是可行的。随着计算机和计算技术的飞速发展，相信危岩体稳定性评价进入信息化时代即将到来。

5 结 论

通过总结三维激光扫描技术在西南高边坡危岩调查中的应用，获得以下几点认识：

（1）三维激光扫描技术的高效率、高精度、远距离非接触测量等优势弥补了传统地质调查难度大、危险性高等缺点；

（2）三维激光扫描技术可实现危岩几何尺寸、迹线等量取，控制性节理产状测量，高精度地质剖面图等；此外，还提出了二维与三维技术相结合的危岩定位新方法；

（3）首次提出利用三维激光扫描技术建立信息化危岩体稳定性评价系统的思路，并从理论上论证了其可行性；

（4）三维激光扫描技术正处于发展中阶段，存在扫描距离和范围有限、激光不敏感物源等不足，但随着科技的发展，缺点将不断被完善，应用前景也会更加广阔。

［1］ 黄润秋．中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化［J］．地球科学进展，2005，20（3）：292－297．（HUANG Run-qiu．Main Characteristics of High Rock Slopes in Southwestern China and Their Dynamic Evolution［J］．Advance in Earth Sciences，2005，20（3）：292－297．（in Chinese））

［2］ 胡厚田．崩塌与落石［M］．北京：中国铁道出版社，1989．（HU Hou-tian．Landfall and Rockfall［M］．Beijing：Chinese Railway Publishing House，1989．（in Chinese））

［3］ 陈洪凯，唐红梅，叶四桥，等．危岩防治原理［M］．北京：地震出版社，2006．（CHEN Hong-kai，TANG Hongmei，YE Si-qiao，etal．Principles of Preventing and Controlling Techniques for Unstable Perilous Rock Mass［M］．Beijing：Earthquake Press，2006．（in Chinese））

［4］ 董秀军，黄润秋．三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用［J］．岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：3629－3635．（DONG Xiu-jun，HUANG Run-qiu．Application of3D Laser Scanning Technology to Geologic Survey of High and Steep slope［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（Sup．2）：3629－3635．（in Chinese））

［5］ 董秀军．三维激光扫描技术获取高精度DTM的应用研究［J］．工程地质学报，2007，59（3）：428－432．（DONG Xiu-jun．Research on Application of 3D LaserScanning Technology in Acquiring DTMWith High Accuracy and Resolution［J］．Journal of Engineering Geology，2007，59（3）：428－432．（in Chinese））

［6］ ZHOU Yang，CUIMeng，YANG Lei．Application of 3D Laser Scanner in Topographic Change Monitor and Analysis［C］∥Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments．Beijing，China，August 16－19，2009：4382－4385．

［7］ 刘 宏，董秀军，向喜琼，等．用三维激光成像技术调查高陡边坡岩体结构［J］．中国地质灾害与防治学报，2006，（4）：38－41，45．（LIU Hong，DONG Xiu-jun，XIANG Xi-qiong，et al．Investigation of Rock Mass Discontinuity by 3D Laser Imaging Technique on a Large and Stiff Slop［J］．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，（4）：38－41，45．（in Chinese））

［8］ 霍俊杰，黄润秋，董秀军，等．3D激光扫描与岩体结构精细测量方法比较研究——以锦屏Ⅰ级水电站为例［J］．湖南科技大学学报（自然科学版），2011，26（3）：39－44．（HUO Jun-jie，HUANG Run-qiu，DONG Xiujun，et al．Comparison Analysis on 3D Laser Scanning Technology and Refined Mesh Investigation of Rock Mass Structure：Based on Jinping I Hydropower Station［J］．Journal of Hunan University of Science＆Technology（Natural Science），2011，26（3）：39－44．（in Chinese））

［9］ 徐进军，王海城，罗喻真，等．基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理［J］．岩土力学，2010，（7）：2188－2191．（XU Jin-jun，WANG Hai-cheng，LUO Yuzhen，et al．Deformation Monitoring and Data Processing of Landslide Based on 3D Laser Scanning［J］．Rock and Soil Mechanics，2010，（7）：2188－2191．（in Chinese））

［10］刘卫华，黄润秋，裴向军，等．危岩体调查及稳定性工程地质分类方法探讨［J］．地下空间与工程学报，2007，22（增1）：1269－1273．（LIU Wei-hua，HUANG Run-qiu，PEIXiang-jun，etal．Discussion on Survey and Stability Engineering Geology Classification Method for Potential Unstable Rock Masses［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，22（Sup．1）：1269－1273．（in Chinese））

［11］董秀军，戚万权．徕卡ScanStation2激光扫描仪在水电工程地质编录中的应用［J］．测绘通报，2011，（6）：84－85．（DONG Xiu-jun，QIWan-quan．Application of Leica ScanStation2 Laser Scanner to the Geological Record for Hydropower Projects［J］．Bulletin of Surveying and Mapping，2011，（6）：84－85．（in Chinese））

［12］BATTON N R．Review of a New Shear Strength Criterion for Rock Joints［J］．Engineering Geology Elsevier，1973，1（7）：287－332．

［13］黄润秋．结构面起伏度的定量研究——拟合的一个应用实例［J］．水文地质工程地质，1992，（6）：6－10．（HUANG Run-qiu．A Quantitative Study of Undulations of Discontinuities［J］．Hydrogeology＆Engineering Geology，1992，（6）：6－10．（in Chinese））

［14］吉 锋．硬性结构面粗糙度系数量化确定及其工程应用［J］．水文地质工程地质，2010，37（3）：84－86．（JI Feng．Quantization Research and Project Application of Roughness Coefficient of a Rigid Structure Plane［J］．Hydrogeology＆Engineering Geology，2010，37（3）：84－86．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Discussion on the App lication of 3-D Laser Scanning Technology to the Investigation of High Slop Perilous Rockmass

HUANG Jiang1，SHIYu-chuan1，JIFeng1，DUANWei-feng2
（1．State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2．Hydrochina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China）

Traditional approach of investigating high slope perilous rock is very difficult and dangerous．Three-dimensional laser scanningwith high efficiency，high accuracy and remote non-contactmeasurementmakes up the deficiencies of traditional geological investigation methods．By 3-D laser scanning，traditional geological investigation process can be optimized．Moreover，with the development of indoor data processing softwares，quantitative analysis on perilous rocks can be conducted，for instance，themeasurement of geometric dimension of perilous rock，highly accurate real tangent geologic profile，measurement of structural plane occurrence，trace length，connectivity rate and spacing，aswell as the acquisition of space coordinate and the determining of perilous rock body boundary．In addition，by redeveloping post processing software for 3-D laser scanning and establishing rock stability assessment system，the feasibility has been proved in theory．Thus it can be seen，3-D laser scanning has broad application and prospect in geological exploration．

perilous rockmass；high slope；3-D laser scanning；diversified application

TB874；TU413．61

A

1001－5485（2013）11－0045－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．010

2013－05－23；

2013－06－28

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题（SKLGP2011Z009）

黄 江（1988－），男，江西萍乡人，硕士研究生，主要研究地质灾害评价与预测、岩土工程，（电话）18981858579（电子信箱）jgsdxhj＠163．com。