三维激光扫描在滑坡灾害变形中的监测应用

刘明坤，段奇三，赵晨曦，杨艳锋

(1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)



三维激光扫描在滑坡灾害变形中的监测应用

刘明坤1，段奇三2，赵晨曦1，杨艳锋1

(1. 北京市水文地质工程地质大队，北京 100195； 2. 北京昊云科技有限公司，北京 100088)

摘要：针对滑坡灾害变形，利用三维激光扫描仪采用非接触测量方式对效应靶形变量进行测量，以监测滑坡体的位移量。结果表明，三维激光扫描仪可以对滑坡体变形进行有效监测，滑坡体在强降雨下土层饱和后的变形量精度达到毫米级。

关键词：滑坡;变形;三维激光扫描

三维激光扫描技术作为一种新型的面测量技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术创新。本文针对北京某滑坡，利用Topcon GLS-2000三维激光扫描技术在2015年7月雨季进行数据采集，并对多次采集的滑坡体数据进行分析，总结滑坡在强降雨下土层饱和后所造成的滑坡体位移量。

一、三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称“三维实景复制技术”，它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据；同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等)，它是各种正向工程工具的对称应用工具，即逆向工程工具。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。

三维激光扫描仪分相位激光和脉冲激光技术两种，其原理是激光测距，并在空间形成横向和纵向的精确测量，计算出被测量点与扫描仪中心的相对位置，并得出独立坐标(X,Y,Z)，给予每个坐标一个点的图形符号，在计算机中以点符号显示，形成云状三维模型，故而称为点云数据(点云)，可以称其为多点式的全站仪。

GLS-2000三维激光扫描技术参数如下：

1) 扫描距离：500 m；

2) 视场角：360°×270°；

3) 相机参数：5×106像素×2个 (170°/8.9°)；

4) 激光等级：3R (高速模式/标准模式 )/1M (安全模式)。

Topcon GLS-2000特点如下：

1) 一体化设计；

2) 全景扫描；

3) 内置双相机；

4) 可扫描棱镜；

5) 二次回波；

6) 内置两种激光；

7) 自动量测仪器高；

8) 支持多种点云拼接方式；

9) 后视定向；

10) 内置5种扫描模式。

二、滑坡体数据监测采集

滑坡位于北京市丰台区王佐镇西庄店村后甫营路东北侧，坐标为(39°50′58.9″，116°5′15.1″)。滑坡距离景区售票处仅500 m，距离后甫营村仅280 m。滑坡体上方为山坡林地，下方为千灵山风景区的停车场(目前未使用)。滑坡距离王佐镇镇政府约7.5 km，有后甫营路、沙羊路、大灰厂路等通往镇中心及市区，距离西六环约2.6 km。

在滑坡体对面山体建立控制点，选择稳定基岩，选用不锈钢材料进行混凝土浇筑。

首次利用Topcon GLS-2000三维激光扫描仪对滑坡体进行数据采集，将扫描仪架设在控制点上，利用Topcon GLS-2000三维激光扫描仪后视定向功能进行坐标系统确立。

设置扫描密度及扫描范围进行点云数据获取。

三、滑坡体特征

1. 表面特征

通过调查发现，滑坡主滑方向约176°，后缘裂缝上部稳定基岩出露，产状为177°∠14°，总体平面形态呈圈椅状，下陡中缓上陡，滑坡体坡度约为20°～30°，主滑方向与岩层倾向基本一致，属于顺层滑坡。

滑坡西侧山体出露基岩产状为164°∠37°，东侧山体出露基岩产状为125°∠21°，滑坡体东侧紧邻一条冲沟，冲沟底部页岩出露，基岩产状为226°∠65°。

滑坡后缘出现拉张裂缝，总长约110 m，总体走向约45°，后缘最大裂缝深度约2.3 m，最大裂缝宽度约50 cm，发育有近东西向节理裂隙5条，近南北向垂直节理3条(如图1所示)，出现滑坡壁，滑坡壁坡度约70°，后缘裂缝上部出现较少与滑动壁平行裂缝，后缘裂缝有向上发展趋势。

图1　滑坡后缘两组节理裂隙垂直相交

滑坡体中部距后缘约47 m及57 m处出现两条较大裂缝，最大宽度约25 cm，总长约55 m，上部裂缝总体走向约为30°，下部裂缝呈圆弧状展布，沿此两条裂缝出现数十条发散状裂缝，与其呈相交关系，并且滑坡体上大量片石树坑出现拉裂。

滑坡前缘形成鼓丘，出现剪出口，剪出口上部形成多条放射状及羽状裂缝，最大宽度约20 cm，鼓丘下方，出现4条溢出水流。

2. 结构特征

通过野外调查天然出露的地层及搜集相关资料，认为该滑坡类型属于岩质滑坡。地层主要为第四系松散堆积层及石炭系地层，其中第四系主要为残坡积物，成分为碎石土，石炭系地层岩性主要为泥岩、页岩、千枚岩等。

根据岩性及结构特点，滑坡物质组成自上而下可分为两层。

(1) 碎石土

分布于滑坡体中下部，主要为残坡积物，碎石土结构松散，透水性较好，沿着斜坡方向自上而下厚度逐渐增加，厚度较大。

(2) 页岩

滑坡体表层页岩风化严重，为中风化—强风化，呈层状，主要为灰黑色或表层呈暗红色，层面之间结合力较低，岩层产状较缓，基岩产状为177°∠14°，层理发育，韵律细微，岩石构造节理、劈理发育，易破裂，沿层面剥离严重。滑坡后缘发育有近东西向节理裂隙5条，近南北向垂直节理3条，后缘出现滑坡壁，多为陡倾角。滑坡壁坡度约70°。

四、点云数据生成DEM

利用I-SITE Studio软件进行点云数据建模生成DEM。将滑坡的法线定位为垂直于斜坡，在此法线基础上生成模型(如图2所示)。此做法避免了模型的三角面片与重力方向一致导致的不连续模型的出现。

图2　滑坡体点云数据

五、扫描数据与地质数据叠加分析

由于Topcon GLS-2000三维激光扫描仪在对滑坡体扫描时架设在已知控制点上，保证了强制对中，同时扫描仪具有后视定向功能，因此保证了每期数据无需进行点云数据拼接而在同一坐标系统中。

1. 虚拟量测

在点云数据或DEM中量测滑坡体的长度、宽度、面积等，并进行滑坡体体积估算，如图3所示。

图3　滑坡体宽度解译

2. 数据对比

通过人工简易监测，6日内滑坡后缘部分裂缝变形量为28和66 mm。同时运用Topcon三维激光扫描仪于7月25日及8月1日，对滑坡体开展了2期三维激光扫描测量，通过2期数据对比分析，发现7天内滑坡体存在明显位移形变，最大形变约600 mm(如图4所示)。

图4　滑坡形变对比分析监测图

3. 滑坡体等高线提取

通过分析点云数据，对滑坡体等高线进行解译提取(如图5所示)。

图5　滑坡体等高线解译图

4. DEM与地质数据模型分析

因滑坡东南约1.5 km处为控制北京地区西部隆起与东部断陷沉积这两个二级构造单元的八宝山—高丽营断裂带。该断裂带由南大寨—八宝山断裂和黄庄—高丽营断裂两条相伴而平行的主要断裂组成，在滑坡区附近呈北东—南西走向，倾向SE，倾角较大。因此在三维模型中考虑地质结构背景，有利于分析斜坡走向与变形。

通过叠加的地质背景资料与DEM，可提取滑坡体体积。方法为沿横向(地平方向)依据DEM进行范围确定；纵向(地心方向)沿推测滑动面走向，高于滑动面的体积为滑坡体滑动预估值(如图6所示)。

图6　滑坡体DEM模型体积解译图

六、结束语

三维扫描技术通过激光或结构光进行三维重建。三维扫描技术也是一种将测量从传统的单点测量提升到面测量的革命性技术，其根据载体不同包括机载、地面和手持等几类。

通过前文研究，可得出如下结论：采用地面式三维激光扫描技术可以迅速获取滑坡体形变数据，并进行三维分析。将扫描的三维模型与地质资料数据进行叠加，可以形成地表及地下的空间一体数据，为滑坡灾害的治理提供科学有效的数据。

参考文献：

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[4]李滨，王汉顺，段奇三，等. 点云检测技术在高速公路边坡监测中的应用[J]. 城市勘测,2014(4):20-22，26.

[5]褚宏亮，殷跃平，曹峰，等.大型崩滑灾害变形三维激光扫描监测技术研究[J].水文地质工程地质，2015，42(3)：128-134.

(本专栏由拓佳丰圣和本刊编辑部共同主办)