SX10三维激光扫描仪在地质灾害监测中的应用

焦川川 杨文彬

(湖南省地质矿产勘查开发局402队 湖南 长沙 410008)

我国是世界上地质灾害频发的国家，南方省份山地、丘陵地区是地质灾害的高发区域。这些地区地质条件复杂，降水较多，加之工程建设等因素，崩塌、滑坡、泥石流等时有发生，给人民生命财产造成严重损失。地质灾害隐患多、破坏性强、防范难度大，传统监测手段越来越难以满足需求。三维激光扫描仪的出现，为地质灾害准确、高效的预报预测提供了一种新的技术手段。

一、三维激光扫描技术与传统测量方法的比较

三维激光扫描技术采用非接触式高速激光的测量方式，可以在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，获得点云数据。由于三维激光扫描测量系统具有快速性、实时性、高密度、高精度等特点。三维激光扫描仪在地形测量、地下空间测量、建筑测量、逆向工程、工业测量、变形监测等多方面有实际应用。

表1 三维激光扫描技术与传统监测方法比较

二、SX10三维激光扫描仪与传统扫描仪的比较

天宝SX10高度集成了三维激光扫描仪、自动全站仪及近景摄影测量技术，主攻长距离和高精度扫描方向。仪器测角精度1″；测距精度棱镜模式1mm+1.5ppm、DR模式2mm+1.5ppm，有效测距600m。测量时可像全站仪一样直接设站，无需特殊标志配准；长距离测量可有效减少点云拼接次数，提高监测精度。传统扫描仪如瑞格VZ系列、天宝TX系列及法如Focus3D系列，虽然测距精度很高且能够以50-100万点/秒的高速扫描点云，但是由于测角精度为8-15″，实际长距离点位精度并不高。

监测点P相对于架站点误差公式如下：

(1)

说明：ms为测距中误差；mθ为测角中误差；s为仪器到监测点的水平距离。

根据公式(1)可以计算出SX10在大于传统扫描仪5倍的工作距离上仍可以达到相同的点云精度。因此传统扫描仪更适合一般的扫描测量或是近距离的变形监测，如隧道的变形监测。

地质灾害监测变形控制值一般要求30-50mm，根据《工程测量规范》要求，监测精度应达到控制值的1/10，即要控制在3-5mm之内。由于地质灾害的特殊性，占地规模通常较大，且不能抵近测量，SX10扫描仪无疑更适合。

三、SX10扫描仪的工程应用

某大型石灰石矿坑，顶部直径约450m，底部直径约380m。矿坑边坡高度约为70.0-100米，坡度45-90°，坑顶有土层覆盖。矿坑周边存在溶洞和采空区，边坡岩体类型为Ⅱ类-Ⅳ类，部分区域裂隙发育，易产生岩层层面平面滑移破坏或楔形体破坏。局部岩体突出，底部临空形成危岩。

(一)常规监测方法的困难与缺陷

原设计方案拟在基坑周边布设多个深层水平位移(测斜)以监测岩体稳定情况，实际工作开展具有以下难点及局限性：

(1)因矿坑周边存在采空区、溶洞等情况，现场钻孔作业易造成卡钻、钻杆坠落等意外事件。

(2)如测斜管进入溶洞或采空区，管身无法固定，稳定性没有保障，监测数据不可用。

(3)即使测斜管全部埋入稳定的岩体，由于现场坡度的存在，管顶距离基坑边1m时，管底距离矿坑临空面通常已经超过20m，即使有危岩塌落，深层水平位移数据未必有反映。

水平位移方面，原设计方案拟在矿坑内表面按照20米的垂直间隔布设3层水平位移点,每层相邻位移监测点间隔约20m。由于矿坑侧壁凹凸不平，且裂隙发育、有危岩存在。人工现场钻孔布设棱镜施工难度较大，且易发生安全事故。由于监测点位过多，实际全站仪测量时间耗费时间太长。

(二)SX10三维激光扫描仪应用

在矿坑周边稳定区域布设基准点，通过自由设站的方式建立测站进行扫描获取监测区域的三维点云(内置相机同时可获取颜色信息)，最后通过点云拼接形成监测区域完整的点云数据。后期通过同样方式获取数据与首期对比，通过Trimble RealWorks软件分析可知被测区域的变形情况。

内业先对点云进行预处理，对点云进行分类，滤除植被、现场人员、机械等无关点云信息。分割点云，选取两期点云共同范围作比较。

随后进行检测,面与面检测过程中首先要定义投影面。如沉降监测可以选择基于平面的投影，设置水平参考面，检测竖直方向的变形情况；矿坑内部水平位移监测可以选择圆柱形投影，以获得周边土体、岩体相对于矿坑中心轴的变形情况。

然后设置分辨率，确定数据投影到参考面的精细程度。在预览检测功能下即可查看监测区域的变形情况。

图1 检测模型界面变形分析

在软件检测模块下还可以选择点云数据，设置分辨率，由三维点云构成空间三角网，最终生成表面模型。同检测模型一样，设置的空间分辨率越高，成果越精细。

图2 监测区域表面模型成果

如工程需要获取特定断面的变形数据，可以利用检测图分析工具的切片功能实现。在检测图上手动设置特定的切线，或按间隔设置切面，软件即可自动生成断面变形数据成果。

图3 断面变形成果分析

受限于现场地形条件及安全管理要求，传统测量方法及一般三维扫描仪无法对石质边坡上的裂缝进行有效监测，SX10激光扫描仪可以解决这个难题。仪器自带长焦相机，在50m的距离上分辨率可达0.88mm，可有效监测高边坡裂缝宽度、长度、走向以及发展情况。

四、结语

SX10三维激光扫描仪具备自动监测全站仪的全部功能且精度与其相当，在地质灾害监测工作中完全可以替代全站仪。SX10作业速度快、采集的点云密度大、精度高，大大提高了外业效率，实现了地灾形变监测工作由点向面的跨越。三维激光扫描技术提高了预测预报的准确性与及时性，同时也节约人力物力，保障了作业人员生命安全。

使用Trimble RealWorks软件对点云进行专业处理可以获得投影面变形分析成果、数字表面模型成果、断面变形分析成果以及地灾塌方体积计算等资料，可充分满足工程建设及抢险救灾工作的需要。

地质灾害监测是一项复杂的工程，它包括形变监测和物理量监测(如应力、温度、降雨量、土壤含水量监测等)。一个优秀的监测系统除了灵敏性还需要一定的技术冗余保证监测成果可以相互验证(如沉降与地下水位的关系，应力大小与水平位移的关系等)，以保证监测系统的有效性。因此，在使用SX10进行形变监测时，同样要注重物理量的监测。