三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究

胡颖 谢天 杨希

摘要：我国是地质灾害多发区，其中滑坡灾害每年会造成上百人伤亡及数十亿元的经济损失。将地面三维激光扫描技术应用在滑坡变形监测中，能快速准确地进行测量，这对滑坡预警、灾后重建有着重大意义。本文介绍了国内外滑坡灾害监测的研究现状及其发展，提出了将地面三维扫描技术用于监测地表形变产生的滑坡灾害的方法。阐述监测工作原理、变形分析方法，探讨了此方法中点云数据处理的过程，并对比了目前常用的几种滑坡监测方法。

关键词：三维激光扫描；滑坡监测；地表形变；点云数据

Application of Ground-based Three-dimensional Laser Scanning in Landslide Monitoring

Hu Ying1，Xie Tian2，Yang Xi1

1. Hubei Quality Supervision and Inspection Station of Surverying Surveying and Mapping， Wuhan 430071， China；

2. Hydrogeological team， Geology Bureau for Nonferrous Metals of Guangdong Province， Guangzhou 510811， China

Abstract： China is constantly threatened by the geohazards. In particular， the landslides lead to hundreds of causalities and billions of Chinese Yuan of property lost. The ground-based three-dimensional （3D） laser scanning can be applied in the landslide displacement monitoring and is of significant importance to the pre-failure forecast and post-slide reconstruction. This paper introduces the contemporary landslide monitoring tools and its development in China and worldwide， with a focus on the 3D laser scanning approach. We elaborate the principle and methodology of the point cloud data processing and compare some generally used landslide monitoring techniques.

Key words： Three-dimensional laser scanning； Landslide monitoring； Surface deformation； Point cloud

1.引言

根據自然资源部最新发布的2018年全国地质灾害通报显示，我国2018年共发生地质灾害2966起，造成185人伤亡，直接经济损失14.7亿元。其中滑坡1631起，占地质灾害总数的55%[1]。

目前，国内外滑坡灾害监测主要内容有地表形变监测、深部位移监测、力学参数监测以及环境影响因素（地表水、地下水、降雨量等）监测和宏观地质现象监测。而地表形变是滑坡灾害发生前最直观的信息，监测地表目标点位移是滑坡监测预警的重要内容和有效手段。在我国现行《滑坡、崩塌监测测量规范》中，采用经纬仪、测距仪、GPS来测量相关数据[2]，这种传统单点式监测仅能对人员可达的滑坡建立的实地观测点进行监测[3]。此方法的缺点是成本高且变形监测点数少，难以发现监测范围内局部区域的变形情况，且监测点一旦被破坏会严重影响资料的连续性。也有学者提出了其他方法：刘立的基于北斗与合成孔径雷达干涉测量（InSAR）的地质灾害监测关键问题探讨[4]，朱庆的重大滑坡隐患分析方法综述[5]，林沂的偏振激光雷达对地观测遥感[6]，LiZheng Deng的声传导法监测[7]等。

三维激光扫描仪分为星载（机载）激光扫描仪、地面激光扫描仪、手持激光扫描仪三种。星载（机载）激光扫描仪相对地面激光扫描仪而言，产生了额外的姿态参数、飞行参数等，误差来源多于后者，精度较后者低。手持激光扫描仪多用于房产测绘等距离短的测量。本文谈到的均为地面三维激光扫描仪。它是一种集成多种高新技术的新型测绘仪器，采取非接触式获取信息的手段，通过扫描被测目标区域大量密集点的信息，最真实、直接地反映被测目标事物实时的变化特性，所以越来越多地被应用于快速获取三维空间数据，为滑坡监测提供了一种新选择。

地面三维激光扫描仪把激光脉冲发射体发射出的窄束激光脉冲通过两个快速旋转的同步反射棱镜，扫描被测目标。通过测量每个激光脉冲从发射到返回仪器所需要的时间，计算出仪器与被测物体间距离。与此同时，测量每个脉冲激光的角度，综合计算出落在物体表面激光点的三维坐标。三维激光扫描以平面扫描的方式，高效率、测量精度均匀，能分辨出滑坡体细微变形和蠕变。因此将三维激光扫描技术引入到滑坡变形监测领域，无疑非常有意义。

2.将地面三维激光扫描仪用于监测滑坡的工作流程

2.1通过扫描监测滑坡体确定监测物

地面三维激光扫描测量每次扫描会得到一个面上不同点的数据，这些“密密麻麻”的点构成了扫描物体的表面。点越多，与实际物体表面的重合性越好。云数据处理不是以单点为处理单位，而是以“点群”为单位进行处理。学者们为此也提出了各种不同的算法。刘文龙在基于三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究中[8]，通过在待扫描的滑坡区域内布设扫描控制点，由GPS和全站仪先测量这些点的坐标，再通过这些点的坐标把点云数据转换成大地坐标。但地面三维激光扫描测量采用的是无固定目标的测量方式，就是说每次扫描的测量点都不会重合，点云数据中可能不含GPS测量出的控制点数据。徐进军在基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理中[9]，提出了从“变形监测块”上提取点云数据的算法，但需要该监测块是球类或者圆形面，或者至少有一个平面，如果不是人工设置监测块，很难达到这一要求。

为了将扫描点云全部用于为了计算变形，需要从每期的点云数据中确定同名点并计算其坐标。这里提出提取监测物上重心的思路。

获取监测物，必须首先根据点云数据提供的形状、大小、颜色、纹理、色调等标志中分辨出各个体积较大的物块，选取这些物块有两种形式：

（1）在大部分滑坡体上，会裸露出很多岩石块，这些岩石块的几何特征和物理特征明显，通过点云数据，可以将这些岩石块识别成一个个的独立个体。（2）如果滑坡体上裸露的基本是土质，没有适合作监测用的天然地物，则可以在滑坡体合适的部位人工布设简单的、便于识别的物体。

2.2坐标的计算

我们视前面所选取的监测物为均匀物质，根据落在监测物上的点云数据计算出它重心的三维坐标，得到我们需要的“同名点”。不同于GPS、全站仪是直接测量得到监测点三维数据，三维激光扫描测量得出的同名点三维坐标数据是计算出来的。虽然如此计算出的点位精度较低，但这样的监测物的数量却多于GPS和全站仪测量所需要的控制点。即使需要人工布设监测物，也只需布设便于识别的物体，速度较快。

2.3点云数据的处理过程

现在开发出的处理点云数据的软件很多，如ScanMaster，SouthLidar，JRC 3D Reconstructor等。学者们也对点云数据的处理提出了各种方法[10-12]。点云数据处理通常分为以下几个步骤：

（1）数据编辑：剔除粗差，剪切与建模无关的点云数据。（2）数据配准：寻找同名点，然后将同名点和测量得到的点云数据坐标转换，转成和基准点及控制点统一坐标系统，使同一测站上测得的同名点、基准点、控制点形成一个整体。（3）数据拼接：根据不同测站上公共点的坐标，将不同测站上测量的点云数据转换到统一坐标系统中，形成一个整体。（4）数据比较：根据点云数据，建立与被测区域相应的实体模型。在前面的滑坡变形测量中，我们提取了各个监测物上的虚拟“重心”坐标，这些坐标就是我们每次扫描监测需要的同名点。因此不需要整个滑坡体的点云数据参与计算，只需要这些“重心”坐标参与以后每次监测测量的比较分析。

地面三维激光扫描仪监测滑坡工作流程如图1。

3.地面三维激光扫描仪可达技术参数

目前，徕卡ScanStation P50三维激光扫描仪长距离可达到1000m，测距精度为1.2mm+10ppm（270m模式）/3mm+ 10ppm（>1000m模式），角度测量精度为8s。拓普康GLS-2000三维激光扫描仪标准模式下距离可达350m，测距精度3.5mm/150m，测角精度6s。南方FARO FOCUS S350地面三维激光扫描仪最远测距350m，测距误差1mm，测角精度19s。

4.摄影测量与地面三维激光扫描在滑坡监测上应用对比

利用三维激光扫描仪进行滑坡监测，一定范围内可取代传统的测量过程。三维激光扫描仪测量速度快，采集信息量大，可以形成滑坡体的点云图，进一步可生成尺寸精确的滑坡体立体模型，使滑坡体的变形分析更加形象直观。

目前很多学者提出了采用摄影测量的方式对滑坡进行监测。摄影测量和地面三维激光扫描有着共同的优点：自动化程度高，外业作业工作量少，无接触测量可保证人员设备安全，需要进行控制点野外施测等。我们从以下几个方面进行比较。

4.1数据格式

摄影测量得到的初始数据为数字化影像，简单来说就是一张“像片”。单凭一张影像无法获取数据，需要对多张影像预处理，过程包括影像增强、降位处理、去薄云处理等。之后，进行影像判读，解译出地形要素。在拼接数据时，采用相对定向和绝对定向方式，最后获得地表空间信息。

地面三维扫描仪，通过发射激光、接受激光，得到富含位置信息的点云，可直接在点云中进行空间计算，数据匹配采用的是坐标匹配。

4.2测量精度

地面三维扫描仪直接对目标区域进行测量，然后进行计算，摄影测量需要从图像信息转换成三维数据。因此地面三维扫描仪在同等条件下数据精度更高。

4.3外业测量对环境的要求

摄影测量对气候环境要求高，对天气、光强度有严格要求。地面三维扫描不受温度和光强的影响，夜晚也可以工作。

5.地面三维激光扫描技术的特点

5.1优势及主要特点

（1）高效性與高精度性：地面三维激光扫描系统可以在快速获取测量形体表面的海量点云数据，工作效率高。作业员在扫描作业的时候可以利用软件对扫描间隔进行设置，所以扫描的点云数据具有高密度性。只是如果扫描间隔过小，扫描所需要的时间相应比较长而已。其高精度性质是由扫描仪本身的测量精度决定。（2）非接触性：地面三维激光扫描系统扫描的时候不需要事先接触扫描目标体，基于这种优点，测量人员可以避开危险区域，人身安全得以保障。（3）直观性：可获得监测区域的整体位移分布信息，即位移云图[13]。根据云图，使用人员能够直观明了的判断滑坡区域的位移情况，及时制定防灾方案，排除隐患。（4）智能性：由于地面三维激光扫描系统对扫描数据的快速性使得采集的三维数据具有实时动态的特征，且它不受测量员能力水平、工作经验、情绪精力等人为因素的影响，夜间无须照明就能进行观测，从而大大提高了工作效率。仪器的智能化大大降低了作业员的脑力工作，从而简化了测站人员的工作。（5）数字化、自动化：激光扫描系统不仅具有直接获取目标体的距离信号，而且扫描过程非常容易控制，实现成果的自动化显示输出，具有良好的可靠性。（6）兼容性：将GPS定位系统集成于地面三维激光扫描系统之上，通过扫描控制软件中内部坐标的转换，可以直接获得满足于监测需要的各种坐标下的点云的三维坐标数据。

5.2劣势和不足

（1）一般而言，地面三维激光扫描仪的价格高，属于市场上的高档仪器设备。（2）我国目前暂无三维激光扫描仪产品标准及检定规范，导致相关设备的产品性能指标无法得到科学的验证，在实际测量中也很难检验该仪器是否达到标称精度。（3）扫描数据的后处理软件表现形式多样，各生产厂家的软件不能很好地兼容，对于后续的点云的数据处理和建模等研究工作造成了很大的困难。（4）多站采集点云数据时，由于地形起伏造成的遮挡、转站测量时的误差，扫描数据拼接误差等。这些误差会影响后续建模精度[14-16]。

6.展望

展望未来的实际工程应用，还有以下几点问题有待进一步改进或提高：

6.1数据采集的盲区问题

在扫描工作的实施过程中，因为激光光源反射，特定材料对其敏感性不高，所以会有盲区出现在扫描范围内，例如扫描结果不但会受潮湿地表的影响，而且也会受绿色植被的影响。

6.2扫描距离远近的影响

地面三维激光扫描仪主要靠激光的特性来实施各项工作，距离的远近直接影响着点位的测量精度，这就导致作业中扫描测站点变化带来的麻烦。

7.结论

本文提出了用地面三维扫描仪监测滑坡灾害，在海量云数据中提取监测物，通过落在监测物上的点云数据虚拟监测物重心坐标，以此找到同名点，用此同名点进行点云数据拼接的思路。相信随着三维激光扫描技术的不断发展，扫描仪硬件、软件日臻完善，地面三维激光扫描技术将会成为滑坡监测与预警的一种常规监测手段。

参考文献：

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