基于三维激光扫描技术的滑坡监测预警研究

覃 事 河

(国电大渡河金川水电建设有限公司，四川 阿坝 624100)

0 引 言

滑坡是水利水电工程建设中分布面广、发生频繁、产生条件复杂、作用因素众多、发生与运动机理复杂多变、预测困难、治理昂贵的地质灾害，几乎所有的水利水电工程建设期间或电站运行期都或多或少发生过滑坡。据有关资料显示[1]，全国有近千座水电站及数百座水库受到崩塌、滑坡和泥石流灾害的严重威胁，且随着西南水力资源的逐步开发与利用，在复杂的地质环境与大规模的工程活动、水库蓄水及暴雨等复杂条件下，可能会有大量的松散堆积斜坡发生变形甚至失稳；同时，水电站建成后形成的高坝深库带来的水库塌岸问题也十分常见，诱发新的崩塌和滑坡或使古滑坡复活的现象可能存在[2-3]。在这种情况下，监测预警工作就显得尤为重要，而传统监测手段是单点式监测，监测点数量有限，难以发现无监测点区域的变形情况，且现场监测设施一旦破坏会严重影响监测成果的连续性，因此，亟待寻求一种新技术、新方法、新手段来解决复杂地质条件下滑坡体的预测预警工作，以克服传统监测手段在技术上布点难度大、测量点具有离散性、数据分析具有局限性等诸多不足。

1 三维激光扫描技术研究现状

针对传统监测手段的局限性，学者们和工程人员基于三维激光扫描技术做了大量理论研究，并在工程领域得到了一定推广和应用，其行业涉及测绘、交通、矿山、林业等，应用领域涵盖地形测量、地质测绘、地质灾害调查、文物保护及安全监测等，如张靖等[4]通过实验将三维激光扫描仪用于地形测量，实验结果表明三维激光扫描仪的精度满足地形图测量需要；胡磊等[5]通过三维激光扫描仪快速获取突发性地质灾害的地形数据，验证了三维激光扫描技术在测绘方面具备方便、快捷、准确等优点；董秀军等[6]将三维激光扫描技术应用于高陡边坡地质调查中，开展了岩体地表出露结构面的地质几何参数调查和开挖工作面的快速地质编录等工作；黄江等[7]讨论了三维激光扫描技术在水电站高边坡危岩体调查中的工作思路及应用效果，表明其在危岩调查中的应用价值和前景；简锐敏[8]以广佛肇高速公路鼎湖山隧道监测项目为例，通过三维激光扫描技术与传统监测方法对比分析，说明了三维激光扫描技术的优势；徐进军等[9]通过对实验室滑坡模型和三峡库区某现场滑坡的变形监测，引入三维激光扫描技术进行了相应的理论分析与实际测量，获得了初步满意的结果；陈致富等[10]对三维激光技术在基坑变形监测中的应用进行了初步研究，讨论并分析了三维激光扫描系统在基坑监测中的技术优势和存在的问题。

近年来，《水电工程三维激光扫描测量规程(NB/T 35109-2018)》进一步规范了三维激光扫描技术准备、控制测量、机载激光雷达扫描、地面激光扫描、数据处理、数字产品制作、成果验收与提交，形成了行业标准；《地质灾害地面三维激光扫描监测技术规程(试行)》(T/CAGHP 018-2018)的发布，也在规范地面三维激光扫描技术在地质灾害监测中获取崩塌和滑坡表面变形信息的作业方法和技术要求、保证检测数据精度和成果质量、提高新技术在地质灾害监测中的应用水平等方面发挥了作用，将三维激光扫描技术的应用推向新高度。尽管该技术已应用到工程测量、地质灾害调查、安全监测等各领域，但水电工程地质灾害监测预警手段仍多为传统监测手段，自动化程度普遍不高。基于此，本文以西南地区大渡河猴子岩水电站库区大型滑坡体为工程实例，采用三维激光扫描技术对分布有大量危岩体与孤石群的整个岩质滑坡体进行三维激光扫描监测，以期指导滑坡预警工作。

2 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是近年来出现的全新的测绘技术，是继GNSS技术之后测绘领域又一次技术革命。它在技术上突破了传统的单点变形观测模式限制，实现了数据采集方式从传统的“点测量”变为“面测量”。

地面型三维激光扫描系统的主要构成包括三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备，是一种将多种高新技术集于一体的新型空间信息数据获取手段。三维激光扫描仪自身主要由激光测距系统和激光扫描系统构成，有些新型仪器还集成了内置数码相机、GPS接收机、WLAN天线设备、CCD和校正系统。三维激光扫描仪根据扫描设备数据采集实施的空间可以分为机载型、地面型、手持型、特殊型四类；其中，地面型又分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统[11]。

激光扫描系统直接获取的观测数据包括角度信息、距离信息和强度信息，其中角度信息即两个用来反射脉冲激光的反射镜的角度值，分别是水平方向角α和竖直方向角θ；距离信息为通过脉冲激光传播的时间(或相位差)计算得到仪器到扫描点的距离值S；强度信息为扫描点的反射强度I。三维点云数据点的三维坐标值可通过获取的角度信息和距离信息计算得到，强度信息一般用来给反射点赋予颜色。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，仪器中心为坐标原点，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，通过公式[10]可计算得到三维激光脚点P坐标。

3 三维激光扫描技术在水电工程滑坡监测预警中的应用

3.1 猴子岩水电站滑坡体概况

滑坡体沿大渡河猴子岩水电站库区的省道211复建公路长约480 m，顶部高程为2 080 m，底部高程分析在正常蓄水位以下，总体积约450万m3。滑坡体浅表部为崩坡积块碎石土，后缘及公路附近基岩裸露。高程2 080 m以上的天然坡度约为45°～51°，植被稀疏；高程2 080 m以下一般为33°～40°，植被发育。滑坡体下游部分为一突出山脊，沟梁相间，地形极不完整，下游侧冲沟切割相对较深，沟槽切割5 ～12 m，沟内有崩坡积块碎石；滑坡体上游部分侧冲沟切割不明显，为一相对浅凹槽地形，地形相对较完整。滑坡体上部为崩坡堆积层，基岩岩性为绿片岩夹千枚岩，公路附近基岩走向与该库段坡向基本一致，为顺向边坡。微新绿片岩、千枚岩为较软岩，强风化或强卸荷绿片岩、千枚岩多为软岩。滑坡体表面有多处危岩体或孤石群分布，其中最大孤石40 m×10 m×15 m，旁侧地表见多条裂缝，裂缝延伸至大孤石底部。孤石群总方量约15万m3。滑坡范围示意图与危岩体实体图见图1。

图1 滑坡范围示意图与危岩体实体图

3.2 三维激光扫描点云数据获取与处理

本项目中，由于滑坡体表面分布有大量危岩体或孤石群，同时考虑到岩质滑坡体失稳的突发性与破坏性，采用了三维激光扫描仪对包括危岩体或孤石群在内的整个滑坡体区域扫描获取三维点云数据。采用仪器是奥地利瑞格公司生产的高精度RIGEL VZ-400三维激光扫描仪，该扫描仪是一款使用近红外激光束快速扫描机制获取三维点云数据的仪器，基于RIGEL独一无二的数字化全回波技术和实时全波形数字化处理分析，即使在恶劣的环境下也能完成测量工作，其主要技术参数为测程600 m，单次测量扫描精度3 mm，测量速度300 000点/秒(发射)、125 000点/秒(接收)，激光点精度0.3 mrad，垂直方向扫描范围-40°～60°，水平方向扫描范围0°～360°。扫描方式为沿省道复建公路自下游往上游依次架站扫描，累计布设测站20个，通过从滑坡体外围两侧向中间交汇并在局部区域补充测点的方式完整覆盖滑坡区域。原则上，每7天对滑坡区域全方位扫描一次，加速变形阶段加密监测频次。

在完成野外扫描工作后进行点云数据处理，数据处理时进行滤波以删除由于被测物体表面的粗糙度、波纹及其他一些表面缺陷或是扫描仪器本身性能等因素导致的噪声点[12]。同时，一并剔除对监测工作无意义的植被及异常点。三维激光扫描点云数据处理效果图见图2。

将不同时间段的三维激光扫描结果进行对比[13]，结果表明：滑坡区域外的参照物(如顶部铁塔等不动区域)完全吻合，说明三维激光扫描监测精度满足边坡三维变形监测分析要求。采用三维网格重建技术，对三维扫描点云进行三维模型重建，利用空间差值算法对两期数据进行差值处理。

3.3 监测成果分析

2018年1月27日，1月31日，2月3日工作人员连续开展了三维激光扫描监测。通过对比分析，1月27日至1月31日期间，滑坡体最大变形区域位于后缘2 080 m高程处，表现出明显的沉降变形，变形值达110 mm；滑坡体中下部变形较小，表现出明显的指向河谷侧变形，变形值在0～30 mm之间；山体下部变形值在60 mm左右，同样表现出明显的指向河谷侧变形。1月31日至2月3日期间，滑坡体整体变形量值较1月27日至1月31日期间有明显增加，最大变形区域仍位于滑坡后缘2 080 m高程处，同样表现出明显的沉降变形，变形值达270 mm；滑坡体中下部也出现较大变形，表现出明显的指向河谷侧变形，变形值在0～60 mm之间；山体下部变形值在90 mm左右，同样表现出明显的指向河谷侧变形。根据上述三维激光扫描监测结果，并结合滑坡体专项应急预案要求，滑坡体部分测点日变形量超过一级预警值50 mm，建设单位立即发出了危险预警并启动了一级预警响应，全面封锁交通。2月10～14日，滑坡体整体下座，下座高度近20 m，未造成任何伤亡事件。

图2 点云数据处理效果图

滑坡体整体滑移后的首次三维激光扫描时间为2018年3月25日，通过对比分析发现，1月27日至3月25日期间，该滑坡体经历了复杂的大变形过程，这与现场实际发生的情况一致。3月26日至6月21期间变化率较小，但整个滑坡区域仍可分为破坏较严重的下游I区与破坏程度相对较轻的上游II区，I区后缘与侧缘滑面基本贯通，上游II区后缘大部分贯通，侧缘靠上游侧未贯通。滑坡体整体滑移后，原始边坡遭到破坏，边坡形态发生改变，与滑坡体现状高度吻合。同时，根据三维激光扫描监测结果指导应急抢险施工与交通管制工作，期间未发生安全事故。

通过计算表明，截至2018年6月21日，滑坡体最大变形点发生在下游I区后缘顶部，累计滑移18.16 m，滑坡方向为垂直河道略偏向下游。相比高精度全站仪外观监测成果，三维激光扫描成果在同一位置的变形量值一致，变形程度最大的区域位置接近，均为滑坡后缘顶部。

4 结 语

目前，水电工程地质灾害监测预警仍多采用传统监测手段，自动化程度不高，特别是分布有大量危岩体或孤石群的高陡岩质滑坡体，传统监测手段存在一定局限性。三维激光扫描技术为空间数据获取提供了全新测量方法和手段，在技术上突破了传统监测方法的限制，可以高精度、高密度、高效率、远距离、无接触地获取地表对象的三维空间信息数据，实现了数据采集方式从单点式到面式的转化。该技术首次在大渡河猴子岩水电站库区大型滑坡地质灾害风险管理中应用，其预测预警的有效性得到了验证，在滑坡体临滑阶段与应急管理期间发挥了极其重要的作用。可以说，三维激光扫描技术的成功应用，提高了水电工程地质灾害智能化管理水平，值得在水电工程地质灾害风险管理中推广。