三维激光扫描技术在滑坡变形监测中的应用

林益新

（福建省经纬数字科技有限公司，福建 福州 350001）

0.引言

我国地貌复杂，有较多的山川丘陵，每年有大量的山体滑坡、崩塌等地质灾害的发生，给人们的生命和财产造成了非常大的损失，因此国家对滑坡的监测和预警十分重视[1-3]。如今地表宏观情况监测，降雨量、地下水等环境因素监测，深部变形监测为国内外监测滑坡灾害的具体内容。而在国内，大部分工程都是用全站仪或GNSS来测量坡体变形，分析坡体的稳定性，此方法所得的特征点较少，难以获得坡体的总体变形数据。而在分析滑坡变形时，许多细节的改变会对变形分析的准确性起着决定性作用，因此，在滑坡监测中，引入三维激光扫描技术，能够将坡体表面丰富的自然点利用起来，达到从整体分析滑坡变形的目的[4]。在滑坡灾害预警监测系统中使用地面三维激光扫描技术可以在很大程度上提高预警精度和准确性，其应用潜力较大，社会价值和经济价值较高。和传统测量方式不同，此技术的数据构成和测量手段较为先进，处理数据的方式也较为独特。三维激光扫描技术能够对被测物的空间坐标（X，Y，Z）进行测量，并且具有测量速度快、密度高以及准确性高的优点，能够对被测物表面的情况进行详细地描述[5]。在测量物体静态形状方面此技术已经取得了较大的成功，但将此技术应用到具体工程中时会发现坡体的变形预报和监测存在较多没有克服的现实问题和理论问题，需要深入地分析和研究。基于此，本文通过设置实地试验和模型试验，研究了此技术在实际中的应用效果，为相关工程提供借鉴和指导。

1.三维激光扫描技术的数据采集

根据扫描仪的特点，能够在比较稳定、相对安全和视野良好位置搭建一些具有强对中功能的观测墩，用于架设GNSS接收机、全站仪、扫描仪等监测设备。由于一定要在同一个坐标系统里开展计算与分析坡体的变形工作，所以要观测墩四周是否可以稳定地进行测量工作，并借助全站仪测量或用GNSS在相同坐标系里对观测墩的三维坐标进行测量，当有较大变化时及时调整。将扫描仪和定向标志设置在合适的观测墩上，调平仪器后对相关参数（扫描密度和扫描范围等）进行设置，之后即可开展目标区域的扫描测量工作，继而得出滑坡的一期扫描数据。

2.点云数据处理方法

通过扫面得出的数据被叫作点云数据，它是由很多单个扫描点聚集在一起形成的，每一个扫描点中都包含了很多信息，如颜色、反射强度以及三维坐标等。所以可以在计算机上根据点云数据的颜色和强度信息来对测量的不同物体进行识别。

2.1 点云数据处理流程

在开展以三维激光扫描为基础的形状测量工作时，通常会借助特殊的软件来对点云数进行处理，具体的操作步骤分为三步：第一步是将与形状建模无关或关联不大的点云进行裁剪，并对噪声点进行消除；第二步是找出点云数据的关键点并进行拼接和配准，统一点云数据的坐标系统；第三步是开展建模工作，按照物体的外形和点云数据将被测物体的实体模型建立出来，具体流程如图1所示。

2.2 识别监测靶标

借助GNSS或全站仪开展每一次测量工作时，均有明确且相同的变形监测点，坡体的变形量可以由此直接计算出来。在扫描测量中采取的测量方式为无合作目标方式，这样不会出现测量点重叠的情况。为了对变形量进行计算，要对每一个测量点测出的点云数据进行对比挑选，从众多数据中挑出点名相同的点，并对其坐标进行计算。但是，扫描测量和处理针对的单位并不是单个的点，处理对象是由多个点聚集在一起的“点群”。所以，想要得到变形监测点，先要将一些“监测靶标”根据颜色信息和强度信息从点云数据里识别和挑选出来，然后再对监测块上的点云进行处理。“监测靶标”有两种具体的形式：第一种是在现实中较多滑坡体表面，大多数区域都散落着大大小小的岩石块，这些天然形成的岩石块基本都有着很高的反射性，这使得它们能够快速地从所处的环境里识别出来，所以能够当作“监测靶标”；第二种是有较多的土体存在于滑坡表面，反射性较为强烈的天然石块数量较少或基本不存在，此时可以采取人为设置的方法，选择成本较低的材料在坡体表面适当区域设置一些简单的块体，并且这些块体能够与附近环境明显区分开，此时可以将其视作“监测靶标”。

2.3 监测点坐标计算

在滑坡每一期的扫描测量中，有很多监测块体从扫描点云中识别出来，而又有大量单独的扫描点存在于监测靶标上。在工程监测中通常选取重心法和拟合法来把监测靶标里的点云转化为变形监测点。

（1）当监测块体形状不规则时，处理上面的点云选用重心法。这种监测块可能是天然块体，也有可能是人工设置的。此次研究中处理和分析的监测块体平面数量最少为1。具体步骤为：先将点云图显示在计算机中，借助软件的相关功能（平移、旋转、放大、缩小等），对监测块的平面进行选择；对此面上的边界进行科学合理的确定，之后借助面垂直方向上的一致性来对边界范围里的扫描点进行选择；对这些扫描点的坐标进行计算求其平均值，并视作此监测块上的变形监测点。假如有多个平面存在于此监测靶标上，那么就能够获取位于块体上的全部监测点，以此来对变形进行计算。

（2）当监测块体形状与圆形面或球类体相近时，处理上面的点云选用拟合法。这种类型的监测块基本是由人工设置而成的，通常将圆形面的中心或拟合球体的球心来当作变形监测点。

与全站仪、GNSS测量的变形点不同，扫描测量的结果不是直接通过仪器直接测出来的，而是经过一系列计算得出的。经过这种处理过程，尽管最终得出的变形监测结果在精度上没有全站仪或GNSS测出的精度高，不过在自然点变形量的获取速度上远远高于全站仪或GNSS，这种方式可以在短时间内得到大量监测点的变形结果，效率较高，在分析滑坡的整体变形上有重要的作用。

3.试验分析

为了探索滑坡监测里地面三维激光扫描的效果和可行性，本文设置了两种试验：第一种是选取天然岩石面，将其当成监测块，来对现实中的滑坡场地进行测量；第二种是在室内设置滑坡模型，开展模型测量试验，并设置人工球体监测块。Mensi GS 200为此次研究所用地面三维激光扫描仪的型号。扫描仪最大测程为350 m，测程处于中等范围。其点位精度为100 m内3 mm，平均扫描速度为每秒5 000点。

3.1 工程概况

本次变形监测工程为福建闽江水口水电站枢纽坝下水位治理与通航改善工程建兴石料场周边房屋变形监测，地理位置位于闽清县梅溪镇建兴村和新民村境内，其地形地貌为丘陵山地，高程约20 m—130 m。开挖爆破高度不等。爆破区西侧距316国道边约100 m；电力线及国防光缆穿插爆破区，东侧为山地；山上有果树，南北侧为零散居民区，房屋建筑与料场距离不等。测区为丘陵山地地貌，民房等建（构）筑物依山而建，部分房角较为隐蔽，通视条件差，地形起伏较大，给沉降及倾斜观测带来不便，施测难度较大。测区概略位置，如图2所示。

图2 滑坡及测量区域

3.2 实地滑坡监测试验

按照三维激光扫描仪的使用要求和仪器性能，在研究区内选择一处合适滑坡开展了两期测量试验，每期测量间隔1天，在测量时监测块为天然岩石。处理数据时，采用重心法对5组岩块的表面进行了处理，两期测的变形量和坐标值如表1和图3所示。在实际情况中，滑坡的变形基本保持不变。表1中坡体变形量表明，数据经过中心处理后得出的测量结果比较合理。

图3 实地滑坡监测结果

表1 实地滑坡变形值 单位：mm

3.3 室内滑坡监测试验与分析

本文在室内设置了滑坡模型，并在模型上设置降雨装置，以此研究滑坡在降雨时的变形。但因为滑坡模型缺少丰富的纹理，所以设置了6排乒乓球于模型表面，一排4个，共24个球，当作人工标志点。在距离滑坡模型约6 m位置处放置一台扫描仪进行扫描测量，具体如图4所示。经过一定时间的降雨后，滑坡的下部慢慢开始变形，此时对滑坡进行定时测量，测量间隔约为15 min。从滑坡上部往下，挑选了6个标志点，标号1～6，分别为第1、4、6行左右各一个点。用球体拟合方法对两个扫描时刻的结果进行处理。处理结果的三维坐标和变形结果如图5和表2所示。将安置于滑坡模型上的位移计、摄影监测数据与计算处理后得到的变形值进行比较，发现基本相同。

图4 滑坡模型前期布置图

图5 室内模型滑坡监测结果

4.结束语

本文通过研究发现，借助三维激光扫描技术来监测坡体的变形情况是一种可行的方案，并且测量结果具有较高的精度。尤其当坡体发生快速变形的时候，一些测量设备会因地表改变而被破坏，在这种条件下测量精度不是首要的，重点是测量点的速度和密度，此时借助三维激光扫描能够在短时间将滑坡监测系统建立起来，达到对滑坡预警的目的。这种滑坡测量技术与传统的测量手段完全不同，处理监测数据时有其独特的理论和方法。本文通过实地监测和模型监测，为此技术的应用提供了指导和借鉴。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，软件功能越来越全面，扫描仪应用场景越来越广泛，此技术将不断发展成熟，并广泛应用在监测滑坡工作中。