三维激光扫描技术在淤地坝沟岸安全监测中的应用

2021-11-10高钰婷杨世君董彦丽

中国水土保持 2021年11期

高钰婷，杨世君，董彦丽，马涛，郭键

[1.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州 730020;2.中测瑞格测量技术(北京)有限公司，北京 100026]

淤地坝是黄土高原水土流失治理的重要措施之一。淤地坝安全运行和工程效益的持续发挥，是维护地区人民生命财产安全、实现水土保持效益的重要保障。淤地坝附近沟道两侧坡面陡峻，其稳定性关系到布设的卧管、溢洪道，以及附近农田、道路等的安全，影响沟道行洪能力和农业生产活动，需要持续可靠的监测数据支持。

三维激光扫描技术能够快速有效获取高精度点云数据，具有工作效率高、成果多样化等特点，尤其在难以到达的野外环境下，如不规则高程、测量视线受阻等状况下，可从不同角度进行高精度测量，快速在设备上构建数据模型。近年来三维激光扫描技术越来越多地应用于边坡测量[1]、地形测绘[2]、坝体安全监控[3]等工作中，在获取淤地坝坝体沉降、水平位移及坝体表面侵蚀量等方面也有应用，比如：张峰等[3]利用三维激光扫描技术对淤地坝坝体安全进行了监测；孙有政等[4]利用徕卡三维激光扫描技术测算了淤地坝泥沙淤积量。本研究选择黄土丘陵沟壑区两座典型淤地坝沟岸为监测对象，利用三维激光扫描技术对沟岸进行扫描，监测沟道两侧是否有坍塌变形，卧管、溢洪道是否有堵塞，以期能为黄土高原地区淤地坝安全运行及沟岸安全稳定提供技术支持。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描的工作过程是由扫描仪内部的激光发射器发射激光脉冲，再由反光镜有序快速旋转将激光发射器发射的激光脉冲扫过被测物体，然后接收器接收反射回来的光束，同时时间计数器记录下激光发射器发射激光脉冲到物体表面再返回的时间，以此计算相关的距离，一般采用连续波或者脉冲波两种形式[5]。本研究选用的扫描仪是由中测瑞格测量技术(北京)有限公司提供的RIEGL VZ-2000i长距离三维激光扫描仪。该扫描仪采用了能与互联网进行交互的处理框架，并且结合了RIEGL的LIDAR波形处理技术，可以在野外快速获取高精度数据。RIEGL基于波形数字化、在线波形处理和多回波周期处理等独特的UDAR技术，能够进行高速、长距离、高精度的测量。

2 研究区概况

本研究选择的两座典型淤地坝，一座是张家新庄骨干坝，另一座是史渠沟1#骨干坝。张家新庄骨干坝位于甘肃省渭源县，坝控流域面积4.61 km2，地理坐标为东经104°13′45″、北纬35°11′48″；坝址处沟道呈U形，沟深28 m，主沟长2.5 km，沟道比降2.47%，沟底宽22 m；坝址处沟道完整，沟道上部为黄土，下部及沟底为红砂岩，左右岸坡完整，坡度较缓，无地下水渗出。该坝原工程建于2008年，按照20年一遇洪水标准设计，200年一遇洪水标准校核，工程设计淤积年限20年，设计总库容74.07万m3，淤地面积5.10 hm2，采用土坝和放水建筑物(涵卧管)两大件布设形式，土坝为黄土均质坝，采用机械碾压的方法施工，放水建筑物采用涵卧管形式，卧管总高度18.60 m。2013年“7·22”地震造成骨干坝坝体受损，影响坝体安全，2014年对病险淤地坝进行加固，并在坝体左岸布设溢洪道。

史渠沟1#骨干坝位于甘肃省庄浪县史渠沟流域上游，坝控流域面积4.22 km2，地理坐标为东经106°05′50″、北纬35°10′05″；主沟长2.15 km，沟道平均比降2.9%；沟岸为黄土，厚20～45 m，沟道底部有红胶土出露，无滑坡、裂缝或地下水渗出现象；设计坝高19 m，总库容51.2万m3，拦泥坝高14.6 m，拦泥库容22.7万m3，防汛坝高15.8 m，坝顶长102 m；放水工程采用台阶式矩形卧管，下接卧管消力池，外联涵洞、尾水渠和挑坎，采用20%的加大流量设计。

3 数据获取

3.1 外业扫描

本研究外业数据获取时间分别为2020年1月和9月底，采取在沟道内沿中心线架设地面三维扫描仪向前推进式扫描方式获取数据。根据测区实际地形，现场采用后差分RTK以CGCS-2000坐标系进行临时控制点的布设和采集，后续三维激光扫描通过精扫控制点的方式进行坐标传递，最终在点云后处理软件中完成测区整体的控制测量。

淤地坝多位于黄土丘陵区，每站扫描都要考虑周围的地形变化。本研究使用的激光发射频率为600 kHz，有效测量距离为600 m。为保证数据质量，单站300 m距离处点密度达0.2 m/m2，布站平均间距为60～70 m。使用专业单反相机进行影像获取，使彩色点云更贴近真实彩色信息。现场完成数据扫描后，检查数据重叠率、完整性、覆盖范围，确认数据是否覆盖完整测区，不把任何数据隐患带入到后期数据处理流程中。

3.2 内业数据处理

为方便数据加载，扫描数据分测站导出单个文件。利用RIEGL VZ-2000i扫描仪配套的RiSCAN PRO软件进行地面数据预处理。为保证后期成果数据质量，对地面扫描点云预处理要注意以下几点：①为保证后续数据处理精度及效率，需将多站点数据精拼，精度控制在1 cm以内。②本研究使用CGCS-2000投影坐标系，由于两个测区整体范围较大，存在投影的变形误差，因此在软件处理过程中，在坐标系环节需要计算因投影产生的误差，从而进一步提升数据精度。③点云数据支持多属性导出。点云数据成果常规为X、Y、Z空间三维坐标，为便于后续数据分析，点云数据成果保留的信息越全面越好。④根据控制点平差计算数据。在进行坐标系转换的同时，运用RiSCAN PRO软件自带的控制点平差功能在数据精拼的基础上进一步根据控制点进行数据平差，以提高数据测站间的内符合精度。

通过创建工程，导入扫描数据，点云去噪后进行数据自动拼接和数据精拼，结合控制点数据进行坐标系转换和平差，最终输出点云数据。对点云数据进行数据建模，利用VOXEL算法将离散点根据设定数值拟合成一定厚度的平面进行变形分析，建立三角网模型计算变形量。具体流程见图1。

图1 地面三维激光扫描数据处理流程

4 结果分析

4.1 张家新庄骨干坝沟岸变化

以VOXEL算法提取平面对张家新庄骨干坝东、西沟岸立面0.3 m阈值偏差效果图显示，沟岸东侧和西侧立面对比有效数据范围内大部分区域显示颜色一致，说明沟岸两侧无明显滑坡变化，沟岸基本处于稳定状态，坝体附近卧管和溢洪道等工程完整，没有明显毁坏迹象(图2、3)。

图2 张家新庄骨干坝沟岸西侧立面0.3 m阈值偏差效果

图3 张家新庄骨干坝沟岸东侧立面0.3 m阈值偏差效果

在坝体背面东侧部位显示有明显颜色变化，通过建立三角网模型(图4)进行变化量统计，挖方量约为12 m3，分析是受连接坝体的道路施工影响，人为产生的挖方量。

图4 张家新庄骨干坝坍塌区三角网模型

4.2 史渠沟1#骨干坝沟岸变化

史渠沟1#骨干坝东、西沟岸立面变形分析结果显示，在沟岸立面对比有效数据范围内大部分区域变形量都在±3 cm以内，且无明显的大块滑坡现象发生，坝体附近卧管和溢洪道等工程完整，没有明显毁坏迹象(图5、6)。

图5 史渠沟1#骨干坝沟岸西侧立面0.3 m阈值偏差效果

图6 史渠沟1#骨干坝沟岸东侧立面0.3 m阈值偏差效果

通过对比数据，在坝体东侧沟岸靠近溢洪道附近有3处土体坍塌，监测显示有颜色变化。通过构建三角网模型(图7、8、9)提取变化量，结果显示：1号坍塌区流失量约为4.7 m3，积累量约为3.3 m3；2号坍塌区流失量约为8.6 m3，积累量约为4.8 m3；3号坍塌区流失量约为2.4 m3，积累量为0。现场查看结果显示，该区坡度较陡，受降雨、农田耕种扰动等因素影响，导致发生滑坡。

图7 史渠沟1号坍塌区三角网模型

5 结语

通过对张家新庄骨干坝和史渠沟1#骨干坝沟道两侧两期数据对比，两座淤地坝沟岸无明显滑坡现象，坝体附近卧管和溢洪道等工程完整，没有明显毁坏迹象。张家新庄骨干坝坝体背面东侧部位由于开挖施工道路而产生约12 m3的挖方量；史渠沟1#骨干坝坝体东侧沟岸有3处较大坍塌，坍塌量分别约为4.7、8.6、2.4 m3。研究结果表明三维激光扫描技术应用于黄土丘陵沟壑区淤地坝沟岸稳定性监测可以全面准确反映被测目标信息，提高野外监测人员的工作效率，为淤地坝安全运行、监管及除险加固等提供新的技术思路，在水土流失监测领域具有推广应用前景。