三维激光扫描技术在滑坡变形监测中的应用研究

何林　周彬

摘 要：为实现滑坡体的整体位移监测，结合实际生产案例，采用三维激光扫描技术对滑坡体进行了数据采集和分析。结果表明，利用三维激光扫描技术可获取不同时期滑坡体的表面形态，生成数字高程模型（DEM），通过将这些DEM叠加分析，可以得到不同时期滑坡体的相对位移量和绝对位移量。由此可知，三维激光扫描技术可为滑坡体变形监测、灾害预报以及变形机理研究提供基础数据，具有较大的优势。

关键词：滑坡体；变形监测；三维激光扫描；数字高程模型

我国是一个地理环境特殊、地质条件复杂、地质灾害严重的国家，每年因滑坡等地质灾害造成的经济损失不可估量。目前，用于滑坡变形监测的主要手段是全站仪和全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），但这两种手段都是单点监测，只能对滑坡体上有限的重要点进行监测，虽然能精确获取该点的变化信息，如水平位移、垂直位移及变化速率，但是无法直接获取滑坡体的整体变形信息。近景摄影测量虽然能间接获取滑坡体的整体变形信息，但是数学模型较为复杂、处理过程较为烦琐。

三维激光扫描可简单高效地获取变形体的三维数据，具有数据获取速度快、测量成果精度高、点云密度大、非接触式测量等优点[1]，将以前以点带面的监测方法改为全局性的整体监测方法，能详细了解滑坡体的细节变化和整体变化[2]，为滑坡数据采集和分析提供了新方法和新手段。

徐进军等[1]提出利用点云上的自然特征地物、地块上通过“重心法”和“拟合法”计算得到均匀分布于整个变形区域的大量监测点来估算整体的形变。刘昌军等[2]提出基于八叉树结构和改进Hausdorff距离算法进行点云与点云的精细直接比较算法，得到准确的变形区域和位移量。姚艳丽等[3-4]证明了灰色模型GM（1， 1）在滑坡预测中的优势，也对比研究了多种软件来分析滑坡表面整体变形，为整体变形监测提供选择依据。

本研究系统论述了利用三维激光扫描技术进行滑坡体变形监测的技术原理、工艺流程和技术要点，并结合工程实例给出了滑坡体三维激光扫描的成果形式。

1    三维激光扫描原理

三维激光扫描的原理是通过激光脉冲依次扫描被测区域，测量每个激光脉冲从发出到经被测物体表面反射再返回仪器所经过的时间差（或相位差），以此计算斜距S，并通过扫描控制模块测量每个脉冲激光的水平角α和垂直角θ，即可由公式（1）计算得到激光点在仪器坐标系中的三维坐标：

利用三维激光扫描获取对象表面精細三维模型，通过对比分析监测对象两期或多期观测数据，能快速准确地获取监测对象各部分的变形状况，对监测结果进行研究可掌握其变形发展规律，在此基础上可进一步开展滑坡变形机理研究和灾害预报研究[5]。

2    数据处理

利用三维激光扫描技术进行边坡变形监测的主要技术流程如图1所示。

首先，在测区内布设控制网。控制网是进行扫描和点云对比分析的基础，一般可通过GNSS或全站仪进行布设。控制网布设完成后即进行三维激光数据野外采集，野外架站点和架站数根据现场情况灵活调整。通过扫描得到每个点的三维坐标、反射强度和颜色等信息，可以根据颜色和强度信息，结合点云的上下文信息，分辨出不同的测量物体。数据采集完成后即进行点云数据拼接和坐标转换，主要是将各测站的点云数据拼接成整体并转换到国家统一坐标系下。点云去噪是将扫描过程中的噪声去除，为点云分类奠定良好的基础。在点云分类完成的基础上，可进行地表模型构建。通过两期以上不同扫描数据的对比，得到滑坡的变形量与变形规律，为进一步研究滑坡变形机理提供基础数据，为滑坡变形趋势分析提供现势数据。

2.1  点云数据拼接

由于滑坡体较大，为获取滑坡体的完整形态，需要从多个角度分别进行扫描，架设站数根据滑坡体的位置、大小、形态确定。各测站获取的点云数据采用的是以各测站仪器中心为坐标原点的独立坐标系，因此，需要对各测站数据进行拼接，统一到同一坐标系下。各测站的点云数据通过公共点进行拼接，一般采用最近点迭代（Iterative Closest Point，ICP）算法进行解算，如公式（2）所示：

2.2  点云数据坐标转换

为了检验滑坡体的扫描精度，通常采用高精度全站仪进行数据比对，因此，需要将扫描点云数据坐标（x， y， z）转换到国家大地坐标系（X， Y， H）下。已知3个以上公共点在扫描坐标系和国家统一坐标系中的坐标，可通过坐标变换将点云数据转换到国家统一坐标系下，如公式（3）所示：

将扫描点云数据转换到国家统一坐标系下后，可用全站仪检验扫描的点云精度。此外，变形监测是对获取的多期点云数据进行比较分析，因此，各期扫描数据也必须统一到同一坐标系下。为了便于对比分析两期不同观测时间所获取的点云数据，需要在滑坡体影响范围外，较为安全、通视条件良好和地质基本稳定的地方布设3个以上控制点作为变形监测的基准点。为了保证观测精度，一般使用强制对中观测墩。变形监测的坐标系统可根据项目特点确定，既可采用独立坐标系统，也可采用国际统一坐标系统。

2.3  点云去噪

在实际扫描过程中，由于环境的干扰、人员车辆的移动、局地微气候的改变、被测物体表面和地面的水等因素的影响，扫描的点云数据包括大量虚点、浮点、杂点、错点以及噪声点。为了保证监测准确性，必须对原始数据进行去噪处理，将点云中噪声的影响降到最低。目前，一般采用半自动化的人机交互式方法进行去噪。

2.4  点云分类

在进行点云去噪后，得到较为纯净的点云，但此时的点云包括地面地形点、植被点、建筑房屋点、电力杆塔、行人和车辆点等各种地形地物点。各种类型的点对变形观测的影响不同，其中，植被生长较快，行人和车辆等变化较大，而地形点、房屋点、电力杆塔等相对稳定。激光点云分类的主要目的是提取地表点，在点云去噪的基础上，根据测区地形情况，通过设定合适的参数，用TerraScan软件进行处理，对地面点、植被、房屋、电线杆等点云进行分类，为后期数据处理和分析奠定基础。

3    变形分析

由于点云数据的离散性，同一物体在不同时期很难对同一点进行扫描，因此，直接利用点云进行对比分析难以反映物体的变形情况，需要对点云数据进行处理，以分类的地面点为基础，构建不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）或者数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）模型，通過模型与模型之间的比较，检测出滑坡体的变形，并提取出相关变形量。由滑坡点云数据生成的TIN还可以计算两期点云数据相对于同一参考平面的体积变化量。

激光技术也存在精度问题，就空间扫描测绘而言，最直接的影响因素是角度、距离；就三维重构应用而言，最直接的影响因素是精度分布的均匀性及点云密度。前者涉及点云数据中每个点的精确性，后者涉及重建后的整体精确性[6-8]。

4    工程案例分析

在本研究中，第1期地形采集时间为2014年。数据采集分为两个部分—控制网布设和三维激光扫描仪数据采集。根据现场情况，控制网采用闭合导线形式，共由8个控制点构成。控制点由布设在滑坡影响范围外稳定基岩上的3个基准点起算。为分析该边坡表面的稳定状态，生成该边坡等高线地形图，如图2所示。

发生滑坡地质灾害后，使用三维激光扫描仪获取滑坡区数据，三维激光扫描以能完整覆盖整个滑坡监测区域为准，并将所有控制点全部扫描在内。本次数据采集同样采用控制网布设和三维激光扫描完成，控制网以原有控制网为基础进行复测，由原基准点起算。本项目扫描获取的点云数据如图3所示。

对扫描的点云进行分类处理，将分类所得地面点进行封装，得到如图4所示的DEM模型。

将原始地形图和滑坡后的点云数据叠加，可直接对该滑坡体变形量进行量测，精确获取该滑坡发生的位置坐标、滑坡体长度和宽度等信息。通过前后两期滑坡数据的对比，可以精确计算出本次滑坡的土方量。在本项目中，计算得到滑坡的土方量为431 m³，如图5所示。

5    结论和展望

滑坡变形是一种危害性较大的常见地质灾害，三维激光扫描技术作为一种新兴技术，在滑坡变形监测中有着特殊的优势，本研究主要阐述了三维激光扫描在滑坡变形监测应用中的数学模型和实施步骤，对今后开展此类工程具有一定的参考意义。

与传统测量手段相比，三维激光扫描技术能密集全面地获取地面信息，在较远的距离以较高的精度获取滑坡体的变形量，从而保证工程人员的安全，同时以较高的精度和较大的密度获取地面点数据，实现从点到面的监测，可大范围获取高分辨率的海量数据，进而判断出变形区域、变形趋势和变形量，大幅提高滑坡监测的准确性、科学性和安全性，也为滑坡变形的机理研究提供了可靠的数据基础。

[参考文献]

[1]徐进军，王海城，罗喻真，等.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学，2010（7）：2188-2191.

[2]刘昌军，刘会玲，张顺福.基于激光点云直接比较算法的边坡变形监测技术研究[J].岩土力学与工程学报，2015（1）：3281-3288.

[3]姚艳丽，蒋胜平，王红平.基于地面三维激光扫描技术的滑坡模型监测与预测[J].测绘科学，2014（11）：42-46.

[4]姚艳丽，蒋胜平，王红平.基于地面三维激光扫描仪的滑坡整体变形监测方法[J].测绘地理信息，2014（1）：50-53.

[5]欧斌，孔祥玲，孙睿英.边坡挡墙变形监测新技术研究[J].测绘与空间地理信息，2014（5）：219-221.

[6]王举，张成才.基于高精准三维模型的土石坝整体变形监测研究[J].水利水电技术，2014（4）：122-126.

[7]谢谟文，胡嫚，王立伟.基于三维激光扫描仪的滑坡表面变形监测方法—以金坪子滑坡为例[J].中国地质灾害与防治学报，2013（4）：85-92.

[8]马俊伟，唐辉明，胡新丽，等.三维激光扫描技术在滑坡物理模型试验中的应用[J].岩土力学，2014（5）：1495-1505.

Application of 3D laser scanning technology in landslide deformation monitoring

He Lin Zhou Bin

（1.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co. Ltd.， Guiyang 550081， China;

2.Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower， Guiyang 551416， China）

Abstract：In order to achieve overall displacement monitoring of landslide body， combined with actual production cases， 3D laser scanning technology was used to collect and analyze data on the landslide body. The results show that the surface morphology of landslide bodies in different periods can be obtained by 3D laser scanning technology， and digital elevation models （DEM） can be generated， and the relative displacement and absolute displacement of landslide bodies in different periods can be obtained by superimposing these DEM. It can be seen that 3D laser scanning technology can provide basic data for landslide body deformation monitoring， disaster prediction and deformation mechanism research， which has great advantages.

Key words： landslide body; deformation monitoring; 3D laser scanning; digital elevation model