基于三维激光扫描的危岩体清除治理设计

杨茂伟,王秀芬,张长龙

(1. 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2. 山东省地矿工程勘察院,山东 济南 250014)

0 引言

危岩体崩塌是地质灾害的常见形式，对人口密集区域和工程施工威胁很大，国内外许多崩塌案例都造成了巨大的损失，因此需要对其进行加固或者清除。危岩体治理工作中设计至关重要。它提供的施工工艺、工程量和资金预算等数据，为业主做项目计划和资金计划提供依据，为施工单位施工实施提供依据和指导。

当前危岩体野外调查测量多以全站仪、静态GPS，RTK等方法来开展工作。但是，由于地形条件的限制，尤其是高陡岩体崩塌，传统的人工实地接触式调查方法很难达到预期的效果[1]。此外，设计中工作量都是估算值，施工过程中经常出现设计工作量与实际工程量相差很大的情况。由于项目方案和资金计划已经审批，造成施工单位利润降低、业主追责等问题出现。

为了解决存在的问题，结合前人的探索示例，把三维激光扫描技术应用在危岩体清除治理工作中，很好的解决了以上难题。该技术是在复杂地形和环境中以非接触方式测绘点云数据并创建其实景三维模型,从而获得被测体的空间几何参数、地质和影像等三维数据，为危岩体清除治理设计提供精准的各项参数[2]。

1 国内地面三维激光扫描仪在地质灾害领域的应用现状

单诗涵等[3]应用三维激光扫描技术在四川汉源万工集镇“7·27”灾后泥石流预测分析与综合防治的研究中取得了良好的效果；黄姗等[4]结合具体项目分析了三维激光扫描技术在地质滑坡中的应用，成效显著；汪燕麟等[5]结合鲁甸红石岩堰塞湖滑坡体测量作业简述了如何将该技术在震后第一时间服务于灾区，对灾区大型滑坡区域进行三维重建，精确测量其面积、体积等数据，并对其过程处理要点和方法进行介绍分析。舒飞等[6]以2013年7月13日四川雅安市天全县南部某地爆发特大规模泥石流地质灾害为例，运用地面三维激光扫描仪获取此次泥石流滑坡高精度三维影像与点云数据，为抢险救灾和灾后重建提供数据支撑。在野外调查的基础上，分析了此次泥石流灾害的特征，并从其形成条件入手，探讨了此次灾害的成因和未来发展趋势。

此外，董秀军、黄润秋[7]结合工程实例，阐述应用该项技术解决高陡边坡调查中，关于边坡快速编录和岩体结构面参数测量的原理与方法，由此可以看出该项技术在地质和岩土工程领域的应用前景和价值。周华伟[8]，邱俊玲[9]等都研究了三维扫描技术在地质灾害相关领域的应用及取得丰硕的成果，有极强的指导意义。

2 三维激光扫描仪在药山危岩体清除治理中的应用

2.1 项目概况

药山位于济南市天桥区新洋涓村东，面积约为3km2。北部紧邻绕城高速和二环北路，南侧距铁路1km，东距洛口约4km，西距吴家堡约15km。危岩体灾害点位于药山东侧沿线一带，坡底为新建学校。治理区域长度约380m，宽度约180m，约0.06km2[注]山东省地矿工程勘察院，济南市天桥区教育局天桥区药山东侧危岩体清除治理工程设计方案，2017年。。

药山由岩浆岩构成，岩性为辉石闪长岩橄榄苏长岩，含橄苏长辉长岩、橄榄辉长岩等。形成危岩的主要原因是区内岩石颗粒结构属于等粒结构，具有块状构造及多组节理裂隙，岩石不易溶解，因风化致使岩体的完整性与力学强度降低，特别是表层岩石长期受风化、水蚀作用，使得岩石破碎，力学强度降低，是形成地质灾害隐患的潜在因素[10]。在地震及暴雨等影响下，危岩体可能产生移动，对下方的村民与房屋等产生威胁。为此，当地政府对药山开展了危岩体崩塌地质灾害勘查设计和治理工作[11]。

药山危岩体清除治理设计采用三维激光扫描仪进行测量，获得治理区域的大数据量现状地形，内业设计得出详细治理方案。

2.2 仪器设备及软件

目前，市场主流的三维激光扫描仪性能上各有优势,实际工作中选择适合项目需要的仪器，项目外业部分选用具有测程远和植被滤除等功能的RIEGLVZ400i扫描仪实施扫描。采集数据1天，共扫描6站，每站采集约1300万点。内业对采集数据进行坐标转换、拼接、去植被、抽稀、提取、输出、计算等处理，最终获得治理范围内的现状地形数据。

2.3 作业方法

由于测区内，地形起伏较大、植被茂密，通视条件和GPS信号均不好。扫描仪架站尽可能选在视野开阔处，整体上覆盖测区，局部盲区单独设站得到测区全面点云数据。扫描距离采用长短结合的方式。

用RTK接入SDCORS来测量标靶中心坐标。通过后处理软件导入标靶中心坐标，直接完成点云测站拼接以及扫描点云坐标系和平面直角坐标系之间的坐标转换。

新建项目，设置扫描参数(扫描距离、扫描速度等)，开启数据采集，获取周围地物点云数据。扫描中要求相近站点2次扫描要有一定的重叠部分，以便在处理软件中对扫描得到的点云数据进行拼接匹配[7]。

2.4 数据处理

数据处理主要包括：①点云处理：原始数据导入、去除噪声、数据拼接、拼接精度计算、数据过滤、数据输出；②输出数据处理：去噪、提取线划图、线划图符号化、地形图输出。

2.4.1 点云处理

导入原始数据，用RISCAN PRO对其数据进行特性匹配，实现数据拼接[12]，利用选择两幅扫描图像的公共点(至少3个公共点)或者每站标靶点坐标进行测站拼接[7]，接着软件计算拼接精度，测站拼接精度0.61cm。然后可利用现场测得的标志点(3个)的坐标，对拼接好的点云数据进行坐标转换，使扫描点云数据与现实场景的方位、位置完全一致[7]。

按以上步骤操作，得到整个测区的完整实景三维点云数据模型(图1)。对实景三维点云数据进行植被过滤操作，得到测区地面的点云数据，然后进行地形图线划和线划图输出(图2)。

图1 整个测区三维模型

图2 线划提取

2.4.2 生成地形图

将提取的线划图导入CASS9.0软件进行图符编辑，得到最后的测区现状图和平场标高图(图3)。

1—疑似危岩体；2—台阶；3—凉亭；4—高程点；5—路灯；6—内部道路图3 测区地形图

2.5 成果应用

三维激光扫描技术为项目设计提供了工作区任意距离、面积、土石方量和地形断面等多方面数据信息。

(1)三维模型辅助危岩体识别

基于预处理后的点云数据，进行手动任意建模或者智能自动建模，获得扫描区域精细三维模型。然后，再对所建三维模型进行真彩色配准。设计人员可以对测区整体设计和规划，通过相关算法辅助分析和识别危岩体情况，然后对各类危岩体从规模和滑动形式进行分类。通过识别，该工作区内共有8处危岩体(表1)。

表1 崩落计算结果

(2)为危岩体稳定性分析提供参数，以五号危岩体为例，如图4所示。

图4 五号危岩体实景图

五号危岩体由一组多块危岩体组成，由原有基岩风化开裂形成，并沿地形坡度向北东方向发展，形状不规则。其面积66.4m2，体积55.6m3。北东方向倾靠在下部岩石上，母岩坡面角度约32°。危岩体所在坡面倾向NE6°，坡面角度21°～32°，坡面高差约为39.0m，五号危岩体体积计算如图5所示。

图5 五号危岩体体积计算图

在风化、地震及强雷电等外力作用下，危岩体可能失稳，形成危岩地质灾害，危害下方学校安全。从危岩体运动形式分析，其类型为滑动型危岩，其下方适当位置应设置刚性安全防护。

传统方法地质剖面主要是实测或在地形图中切取。而崩塌危岩体，山高、坡陡，一般不具备实测的可能；在地形图中切取剖面，受地形图的精度影响较大，且不能反映出负地形的存在。点云数据逼近原型，是实物的真实反应，从中切取剖面图[13]，其精度高，误差远小于常规测量，并且能将凹岩腔等负地形展现出来，可以导出CAD及其它主流软件能编辑的格式，不仅能对任意位置的剖面进行切取，还能通过指定间距，进行多个平行剖面的连续切取[14]。这也是传统测量无法实现的成果，将有助于稳定性分析和破坏模式的划分[15](五号危岩体所在位置剖面见图6)。

图6 五号危岩体所在位置剖面

以上分析中相关区域的位置、距离、面积、体积、角度和高差等数据直接在三维实景模型中量取。尤其是三维激光扫描的海量高程数据可以使危岩体方量计算的方格网由米级精度提高到厘米级，使方量计算精度得到极大的提高[16]。

根据规范、相关规定和危岩体的堆存现状、形成机理及影响因素综合分析，目前五号危岩体处于平衡状态，但随着时间延长，随着风化作用加剧，特别是在遭受地震或雷击等外力影响后极易失稳，从而产生危岩崩塌灾害。

根据格列其谢夫公式计算落石崩落距离(图7)。

式中：α—边坡坡角(°)；H—坡高(m)。

图7 落石崩落距离简图

经计算可知，5号危岩体崩落距离如表2：

表2 危岩体崩落距离计算

以上距离和断面参数均可在三维模型中量取，从而取代传统靠罗盘和皮尺现场量取崩落参数的方法；标高、边坡坡脚和坡高等参数可由三维模型形成的断面图获得，从而分析出危岩体稳定性(表3)。

表3 危岩体稳定性分析

(3)辅助工程量精确计算

危岩体清除治理设计除了设计参数外，工作量计算和资金预算也非常重要。原先设计人员都是估算，一般都是预算比实际投入大很多，给业主造成资金浪费。采用三维激光扫描技术辅助工程量计算可以使工程量精确到1%平方米和立方米，预算额可以做到精准控制(表4)。

表4 危岩体清除治理工程量总概算表

3 结语

崩塌地质灾害治理在防灾减灾、恢复地质环境的同时，将会产生明显的社会效益、环境效益，同时也产生一定的经济效益[17]。将三维激光扫描技术应用到对危岩体的测绘设计是对传统地质灾害调查方法的有益探索与创新，极大提高工作效率的同时，也提高了危岩体治理与设计的精度。更可利用扫描采集的数据对地质灾害进行研究，为滑坡灾害的防护提供宝贵的研究资料，将其各种效益最大化。

三维激光扫描技术是“继GPS技术后又一测绘技术创新”[18]，具有快捷、方便、准确、动态、实时、全数字化、高精度、测量方式灵活、非接触测量等特点，三维扫描提供了危岩体的体积、位置、尺寸、方位和其所在位置的坡度等详尽的参数，为设计分析危岩体稳定性，计算施工工程量和预算提供了精确的依据。

地面三维激光扫描技术在我国尚处于初始阶段，尤其在地质灾害相关领域的应用，相关规范与标准尚且不齐全，今后需要不断规范和完善。