基于地面LiDAR的滑坡地表整体变形监测

彭景颢 李少达 张博

摘 要：地面三维激光扫描技术以其高精度、连续性和非接触的特点，能够快速安全地获取大范围的点云数据。该文在滑坡地表的变形监测中使用经过配准的高分辨率地面LiDAR数据构建表面模型，利用稳定区域作基准进行多期数据比对得到了滑坡地表形变区域的整体变形结果；能够准确反映出整体形变趋势。该文认为地面三维激光扫描技术在滑坡体监测中具有配准误差影响监测精度和激光点云受植被影响的局限性，但其野外数据采集快速和人为干扰少的特点能够提高监测效率和监测精度能够促使该技术广泛地应用于地质灾害调查和监测预警工作。

关键词：地面三维激光扫描 滑坡监测 整体变形监测 点云配准

中图分类号：P64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0008-04

Terrestrial Laser Scanning Technique to Monitor Surface Landslide Overall Deformation

Peng Jinghao1 Li Shaoda1，2 Zhang Bo1

（1.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology；2.Key Laboratory of Geosciences Spatial Information Technology，Ministry of Land and Resources of the P.R.China， Chengdu， 610059，China）

Abstract：Terrestrial laser scanning technique for its high accuracy， continuity and non-contact， can obtain a wide range of point cloud data quickly and securely. Through the registration， high-resolution terrain LiDAR data can construct triangles model for deformation monitoring of landslide surface. Using stable data as a reference to compare multitemporal data obtained the overall deformation results and trend. This paper argues that registration error and effect of vegetation makes TLS limit， but its rapid data acquisition and less human interference characteristics can improve the efficiency of monitoring and monitoring precision. TLS technology will be widely used in geological disaster monitoring investigation and warning.

Key Words：Terrestrial laser scanning；Landslide Monitoring；Overall deformation monitoring；Point cloud registration

近年来地震频发，高陡边坡和崩塌、滑坡体越来越受到关注。在自然条件和一定人为破坏的影响下发生垮塌产生的危害以及后续产生的次生危害已为人们所熟知。对于已发生垮塌的滑坡体的研究和对已发生形变且垮塌后可能造成损失的滑坡体的监测都具有重大意义[1]。及时且准确地对滑坡变形体进行监测能够掌握滑坡地表形变的方式和形变量，辅助预测变形趋势。目前，对于滑坡体的变形监测已有多种方式和手段。最多见的是在滑坡体关键部位布设人工监测点构成监测网，采用全站仪或GPS获取监测点的坐标值。这样的方法能够得到精确的点位坐标，能够灵敏地捕捉到点位的变化信息，获取水平位移、垂直位移及变化速率。同时还需进行滑坡体表面倾斜测量和地表裂缝监测。这些方法都缺乏整体变形资料。而滑坡变形的诸多细节变化对正确的变形分析有着重要作用。况且人工特征点的布设受到滑坡体的地形地貌和地质条件的影响且具有一定的危险性。对于变化较快较大的滑坡体，人工布设特征点还容易遭到破坏。

滑坡体变形监测中三维激光扫描技术的引入，实现了由单点到面的监测，可大范围获取高分辨率的海量数据，在静态形状测量中已获得了成功的应用。然而，当前使用地面三位激光扫描（Terrestrial laser scanning， TLS）进行大面积滑坡整体变形监测的并不多见，而是多用于快速获取滑坡区域地形图和小范围具有稳定参考点的滑坡区域的变形监测。利用TLS来对滑坡体进行监测具有重大意义，尤其是对于需要大范围快速采集数据的危险地区。徐进军等人利用TLS获取点云数据，并在其上的自然特征地物、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以估算整体的形变[2]。国内TLS技术在滑坡监测领域的研究成果较少，整体滞后于国外，但正在逐步发展。

1 点云配准

在不同时期对同一区域进行点云数据扫描，能够使用相应的点云模型进行比对得到地表形变信息[3]。通过三维激光扫描获取海量点云数据，必须通过点云数据预处理以获得可以用于研究和分析的点云。点云数据预处理包括数据处理包括数据的编辑、数据配准、及数据简化与合并以及点云滤波。经过点云数据预处理之后能够得到具有统一坐标系无冗余数据和噪声影响的完整点云数据。其中，点云配准至关重要。采集点云数据的时候，往往由于单幅数据无法覆盖整个区域，需要进行多次扫描或设置多个扫描测站得到多幅点云数据。每次扫描基于不同的坐标系统，为了完整地重构地表形状，需将所有基于不同视角获取的点云转换至统一的坐标系下，这个过程就称为点云配准。

点云配准包括两个步骤：对包含重叠区域的两幅点云采用两视配准的方法在重叠区域选取3至5对同名点进行初步配准；采用最近邻点迭代算法（Iterative Closest Points，ICP）进行精确配准，通过迭代获得均方差最小的最优化配准结果。

对于多期的点云模型进行比对时，选取数据采集时多余观测测的稳定区域作为坐标基准，采用点云配准的方法使用多期稳定区域间的空间变换关系将多期点云统一到同一坐标系，无需额外设置固定扫描站。

2 滑坡监测

三维激光扫描的数据采集

实验使用加拿大Optech公司生产的ILRIS-3D仪器采集得到研究区域的三维点云数据。研究区域为尾矿区人工堆积体的一片滑坡地表区域，位于西昌市太和镇，太和铁矿尾矿区。堆积体为当地采矿企业进行矿产开采后将当前技术、条件下无法有效利用的部分矿渣，与一些沙土、岩屑一道人为集中堆积而形成。堆积体变形发展缓慢，经过了数十年的堆积。研究区域面积较大，无法一次扫描获取变形区域完整的数据，合理设置扫描测站以覆盖整个滑坡区域，同时相邻的点云数据具有10%以上的重叠区域以保证多幅点云数据的准确配准。因此一共设置五个扫描测站进行分块扫描，经过拼接能够得到完整的研究区域点云数据。

实验采用了于2014年4月、5月和10月对尾矿去堆积体进行了三维激光扫描获取的表面点云数据的部分区域。

3 数据分析

传统的边坡监测方法多是对关键部位布设监测点进行局部人工观测，配合裂缝观测综合分析滑坡的趋势，主观性强，人为干扰多。应用TLS开展边坡调查实现了由单点到面的监测，可以通过设置合理的空间采样间距，大范围地获取海量的高分辨率数据，进而判断形变区域、形变趋势和形变量[4]。使用TLS能够大幅提高野外数据采集的速率和准确性，使得监测效率提高且由于其远距离获取的特性使得野外工作的安全系数得以提高。

地面三维激光扫描仪获取的原始点云数据经过去噪和配准，合并为一幅点云数据。将前一期的点云数据构建表面模型作为参考，将后一期的数据作为比较数据来进行整体比对，并用色谱图直观地表现出来。通过比对的结果可以清楚地知道边坡上每个区域的变动情况。可以看出，4～5月间变动区域较小，第三期的比对结果表明变动区域明显增大且变化更大，可能与6～9月之间西昌地区频繁降雨有关。整体上变化的趋势是一致的，整个堆积体部分向外滑移。

4 结语

综上所述，TLS技术能够在滑坡体监测中得到整体的形变结果，与以往的点监测相比，三维激光扫描仪的单点精度低于全站仪和GPS，但通过大密度的点云扫描数据构建的表面模型接近真实表面。实现了面上监测，更客观直接地反映出变化区域和变化量，更够准确反映出形变趋势。地面三维激光扫描技术作业过程中人为干预少，尤其是在数据的采集阶段，这极大地减少了人为因素造成的误差，而其本身的测量精度可达毫米级，这样采集的数据在后期处理和监测工作中具有很大的优势。在危险区域，远距离非接触式的激光测量方式，可以快速扫描获取地表的三维坐标信息，避免了滑坡地表的不稳定的潜在危险。

使用该文的方法进行滑坡体监测，点云配准过程中产生的误差是点云数据误差的主要来源。激光点云扫描时是对目标区域的等间距采样，多次对同一区域扫描无法获得同一扫描点，因此多期数据就不存在真正意义上的同名点对。该文的方法采用选取特征地物点的方法进行配准，选取的也不是真正的同名点。经过ICP算法的精确配准只能保证拟合在一定限差范围内，配准精度影响多期数据比对结果的精度。在植被茂盛的区域，点云数据受植被影响大，无法测量到地形表面，将对结果精度产生影响。

目前使用地面三维激光扫描技术对滑坡体的监测正处在一个发展阶段，技术上还存在一些不足，但随着技术的逐步成熟这项技术将会更好地服务于地质灾害调查和监测预警工作中。完善TLS监测系统，提高监测精度以及与其他新测绘技术的相结合仍是TLS技术与滑坡监测的发展方向。

参考文献

[1] 许强，裴向军，黄润秋，等.汶川地震大型滑坡研究[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 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）：2188-2191，2196.

[3] G. TEZA， A. GALGARO， N. ZALTRON， et al.Terrestrial laser scanner to detect landslide displacement fields： a new approach[J].International Journal of Remote Sensing.2007（No.15-16）.

[4] 褚宏亮，殷跃平，曹峰，等.大型崩滑灾害变形三维激光扫描监测技术研究[J].水文地质工程地质，2015（3）：128-134.

[5] 徐源强，高井祥，张丽，等.地面三维激光扫描的点云配准误差研究[J].大地测量与地球动力学，2011（2）：129-132.

[6] 邓建华.地表变形测量技术在滑坡稳定性监测中的应用研究与实例分析[D].成都：成都理工大学，2011.

[7] 罗德安，朱光，陆立，等.基于3维激光影像扫描技术的整体变形监测[J].测绘通报，2005（7）：40-42.