基于三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究

白立飞

山东省地质测绘院，山东济南 250002

中国地理地质、生态环境类型繁多，因此也存在较多的地质灾害影响，对经济发展和社会稳定影响较大的包括地震、洪水、泥石流、滑坡等。尤其“滑坡”作为一种多发性地质灾害引起了人们关注，如“11.13丽水山体滑坡事故”、“12.30深圳滑坡事故”、“茂县山体滑坡事故”等，对人民群众生命财产安全造成了损失、威胁。滑坡灾害具有较强的可预防性，如“实时监测”就是一种简单、可行的方法，但尚远远不足满足需要。三维激光扫描技术在不接触滑坡的情况下，能够快速反应滑坡整体变化趋势，测量精度高、速度快，并通过云技术处理、计算机建模等方式，进行滑坡运动趋势判断，从而做好灾害预防。

1 三维激光扫描技术应用现状

结合国内外研究现状，三维激光扫描技术被誉为继GPS技术之后的最先进测绘科学，它引领测绘领域进入全新技术“革命时代”。一方面，通过三维激光扫描技术应用，可以快速获取精确的数据，并直接实现扫描对象的计算机建模，因此也被称之为“实景复制”技术。另一方面，由于该技术通过扫描表面获得的是实物“三维数据”，所以每一个点（xi，ym，zn）都是直接获得，在后期不需要做复杂处理即可使用，并最大限度保障了数据真实性、可靠性和完整性。

一个完整的三维激光扫描系统包括：激光扫描系统、激光测距系统、CCD相机、校正系统及仪器设备控制系统等。基于滑坡监测的地面扫描特征，还需要便携式电源、笔记本、三脚架等设备。具体工作中，整个系统基于同一操作平台下，通过软件支持实现多种、多个传感器集中管理；较为典型的滑坡监测应用，如2003年奥地利Rigel公司利用LMS-Z420三维激光扫描仪对阿尔卑斯山冰川的监测，Optech公司利用ILRIS-3D激光扫描系统+GPS技术进行的MIAGE冰川北部进行的监测。

2 三维激光扫描系统应用原理与特点

2.1 三维激光扫描技术应用原理

结合不同的扫描位置、角度分析，三维激光扫描仪主要包括：车载型、地面型、手持型三类。用于滑坡监测的三维激光扫描技术应用主要是“地面型”，进一步细分，其一为移动式扫描系统，其二为固定式扫描系统。移动式扫描系统以车辆为搭载工具，包括GPS天线、数码摄像机、传感器、距离测量器等工具，其优势在于可以实现连续扫描，又具备POS系统直接获取地理坐标的优点。但相应地，这种类型的应用存在价格劣势，由于设备十分昂贵，并不适合广泛普及；固定式扫描系统在滑坡监测应用中较为常见，其工作原理与全站仪十分类似，主要的系统部分为数码相机、三维激光扫描仪和控制软件系统。但这种类型的应用缺点也十分明显，由于它需要在多个固定点采集数据，所以最终数据呈现是拼接形式，并且缺乏POS系统无法获得地理归化三维坐标体系。

结合原理分析，主要在于激光测距系统、激光扫描系统两个方面。

一方面，激光测距系统。激光测距系统的发展先后经历了脉冲式、相位式、三角法三个阶段，其中“脉冲测距法”应用十分广泛，绝大多数激光扫描仪都基于这一技术实现。首先通过二极管发射激光脉冲，经由旋转棱镜射向被测实体，然后反射回来被探测器接受并记录，最后利用信号发射、接受的时间差来计算距离，计算公式为：

其中，S代表被测距离，C代表激光速度（即光速），T代表往返时间差；相位式测距的原理主要根据无线电波段频率，激光扫描仪可以自动调整频率幅度，利用调制光往返形成的相位延迟计算距离，其计算公式为：

该方法主要用在近距离扫描；三角法测量原理依据三角几何关系，可以快捷地测得扫描目标与扫描设备中心距离，这也是目前最为精确的测量方法。

另一方面，激光扫描系统。包括电镜扫描、全系光栅扫描、多棱镜扫描、光机扫描等都是较为常见的激光扫描系统应用对象，其实现核心控制在于扫描间隔、高频成像和大幅度扫描三个层面。在实现原理方面，设定扫描仪中心空间位置为三维坐标原点（0，0，0），其中x轴代表网线前进方向，y轴、x轴垂直形成的平面以顺时针为参考，z轴垂直；激光扫描仪发射的脉冲信号被反射后，利用时间差计算扫描站点到被测实体表面任意一点的距离，进而通过横向、纵向的整体性扫描，获得三维坐标，计算公式为：

式中：α、 θ分别代表反射、入射角度。

2.2 三维激光扫描技术应用特点

第一，非接触。滑坡监测过程中需要实现大面积、远距离的测量作业，而三维激光扫描技术可以在不接触目标表面的情况下实现数据收集，可以规避一些危险或不可及的区域监测。

第二，高速性。三维激光扫描技术的采样点速度可达到每秒钟50000点，更为先进的设备可以达到几十万、上百万，在获得大面积实体扫描的同时满足了精确性需求。

第三，主动性。该技术不需要外部光源，可以全天候进行作业，突出主动性优势。

第四，穿透性、结合性。由于三维激光扫描技术具有较强穿透能力，可以规避植被对监测目标的信息覆盖，同时结合外置相机、GPS系统等可以获得更准确、更详细的数据，扩展了应用空间。

第五，自动化、数字化。利用三维激光扫描可实现数字坐标信息直接转化，自动化优势明显，在后期处理、输出、格式转换等方面节省大量人力物力财力。

3 三维激光扫描技术应用实证

实证研究对象选择北方某风景区一处滑坡区域，滑坡横向长度100m、垂直高度70m，滑坡形成原因为上部蓄水池开裂，山体四周不断遭受雨水冲刷，而此地作为景区环境的组成部分，容易造成人员伤亡，存在进行监测的必要性。

基于同一坐标系统内实现检测数据比较的目的，控制点选择较远，但确保各个点之间能够相互通视，而监测点选择在坡体裂缝两侧，按照1/4扇形对称的方式选择四个监测点，并使用尼康DTM-352全站仪展开边角观测。

此外，考虑到整个滑坡区的区域有限，监测过程并不需要重复、多次设立站点。应用三维激光扫描仪（徕卡ScanStation-2）进行数据采集、数据与处理、数据输出三个步骤操作。

第一，数据采集。该操作是三维激光扫描技术运用的基本环节，为了提高精确度，必须最大程度规避人工造成的误差，在进行数据收集之前，对现场的一些杂物进行了必要清理。数据收集过程包括架站、定向、拍照和扫描四个步骤，其中“扫描”又分为粗扫、细扫两个部分。

第二，数据预处理。利用Cyclone软件进行数据预处理，主要包括噪声处理、多是点云拼接、点云滤波操作等。其中，“去噪”是一个最重要的环节，这涉及到滑坡体表面上存在的干扰因素，可能造成扫描系统生成较大误差，一些无法人工清理的内容，如电杆、建筑等，可在后期进行手工删除。

第三，数据输出。利用Cyclone软件可导出.txt格式的数据文件，其来源主要是自编程序对扫描点生成的DEM模型。软件界面中包括了表面涂、等值线图、土方量、曲面DEM等，尤其是可利用CAD图实现可视化分析，能够直观地观察滑坡变化情况（历史数据、实时数据）。其中，关于边界坐标文件的获取，一方面可利用Cyclone点云数据提取，并按照一定格式编制。另一方面，运行程序中可以提取坐标文件。

4 结语

鉴于三维激光扫描技术的种种优势，如精确度高、测量范围大等，其应用也逐渐从工业领域延伸到生态环境领域，并在测绘科学中发挥了重要价值。本文重点探讨了其在滑坡监测中的原理、特点和实证内容。但就应用现状而言，大面积普及该技术还存在一些障碍，主要是由于其应用成本过高造成的。随着信息技术的不断发展，下一阶段三维激光扫描技术在生态监测领域的应用需求会更强烈，降低成本是一个重点研究方向。同时，也不可忽视技术方面存在的问题，如与传统测量设备相比，三维激光扫描技术的实现需要大量设备支撑（系统化），这必然导致行动不便，在进行滑坡监测中存在空间操作困难；需要不断建立、优化滑坡灾害的预报体系，如变形信息、土方量变化趋势等，还需要做出大量工作。

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