三维扫描在滑坡变形监测中的应用及数据处理

■王淑霞　刘作文

（四川省蜀通岩土工程公司　四川　成都　610081）

三维扫描在滑坡变形监测中的应用及数据处理

■王淑霞刘作文

（四川省蜀通岩土工程公司四川成都610081）

近些年来，三维激光扫描技术在滑坡变形监测中的应用越来越广泛，有效的降低了滑坡灾害带来的风险。本文以滑坡变形监测项目为例，对三维激光扫描技术在滑坡变形中的应用及数据处理问题进行分析，以期为相关行业工作者提供借鉴。

三维激光扫描滑坡变形监测数据处理

坡灾害属于常见自然灾害类型，对山区居民的财产及生命安全带来严重威胁，对于滑坡灾害的预警工作也一直是从业者关注的重点。现阶段，为了对滑坡灾害有效的进行预警，降低灾害程度，相关工作者也作为了大量调查研究工作，对不同因素对滑坡的影响进行分析，其中变形是滑坡监测中的重点。监测的技术应用中，三维激光扫描技术作为新兴监测技术，能够对岩体崩塌、岩石边坡特征等进行分析，在滑坡变形中的应用效果较好。本文某滑坡变形监测项目为例，对三维激光扫描技术的应用及数据处理进行研究。

1　实际案例

以某滑坡变形监测项目为例，该滑坡地处金沙某梯级河段下游右岸，距离水电站近1km，其变形趋势、稳定状态及失稳方式等都对水电站会产生影响，因此成为关注的重点。通过运用地质调查、综合勘探、地质测绘、物探测试、岩土实验、钻探与餇探及变形监测等技术手段调查，对该滑坡可以划分为五个区域，如图1所示。五个滑坡区域中，Ⅱ区特别显著，以残、崩坡积体为主，处于变形中。对该滑坡进行监测，通过地表垂直位移监测与水平位移监测，在Ⅱ区设置17个监测点。在该滑坡监测项目中，应用到三维激光扫描技术，分别于2009年5月、2010年5月及2011年7月通过三维激光扫描仪（奥地利Riegl，VZ400系列）对该滑坡处地表三维点数据进行采集。

图1　某滑坡监测项目分区

2　三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪属于非接触式测量系统，有一组能够引导激光仪均匀角速度扫描的反射棱镜及一台高速精确的精光测距仪组成。激光测距仪能够主动发射激光，也能接手物体表面反射光线，实现测距的目的。对每一个扫描电能测量到扫描点与测站的斜距（S），然后参照扫描垂直方向角（θ）与水平方向角（α），通过计算可以得到测站与扫描点见的相对坐标，空间相对作为见公式（1）。三维激光扫描技术原理，如图2：

图2　三维激光技术扫描原理

3　三维激光扫描数据采集与处理

3.1数据采集

利用三维激光扫描仪对所测点地形数据进行采集。①准备工作。选择扫描站点，选在滑坡处对面300米处，支放三角支架并安装扫描仪，连接电源、数码相机、笔记本电脑等装置。在对扫描站点进行选择的时候，要遵循两个原则：一是尽可能用较少的扫描点获取数据，降低工作量；二是确保所选扫描电能够获取完整的数据。②放置标靶。将直径为10cm的标靶放置在滑坡点上。放置标靶时，要高低错置，沿四周分布，对扫描方向正对，防止出现标靶表面与扫描方向的夹角过大。③粗扫描。在正式扫描之前，先进行一次360度粗扫描，对扫描参数进行设置，确保标靶可见的精度。④精细扫描重点目标。对重点目标精细扫描的目的是为了获得更精确的几何坐标，扫描的精度为3mm。

3.2数据处理

图3　数据处理流程

对采集到的现场点云数据经过初处理，包括点云坐标配置、剪裁拼接、赋色及滤波等，使点云数据具有规律和组织性，将噪点、异常点、孤点及植被等对地形测量有影响的因素去除或降低。因为滑坡的实际范围比较大，存在大量的点云数据，因此在处理的过程中将Ⅱ区划分为14个小区进行数据处理，解决由于数据量过大无法计算的困难。在数据初处理中，点云滤波是重点，会直接影响到监测的结果，在三维点云滤波中应用2.5D滤波方法：将某一范围内的三维点云用规则排列的网格进行划分，则每一个网格范围内都拥有无数个三维点，将网格内纵坐标最低点的坐标值代表所有点。本次研究中，网络的范围为0.4m×0.4m，将初处理后的点云数据通过I-SITE Studio软件进行点云数据建模生成DEM，该软件具有数据管理与空间分析的优势，对点云数据能够更科学的进行分析，使监测的结果更加直观的体现出来。数据后处理的主要内容如图3所示。

数据在I-SITE Studio软件中处理，点云数据矢量化后，数据格式以Polypoint Shapefile格式在I-SITE Studio软件上进行计算与分析，如图4。点云矢量化以后有大量的数据点，每个点除了包括三维坐标以后，还包含激光束振幅信息、反射强度信息等，需要按照后期需要的数据信息而选择使用。

图4　点云与矢量化后的点

一般情况下，可以对点云数据采用多种方式分析滑坡变形，如断面比较、固定点比较及高程模型比较。通过DEM比较可以实现滑坡引起的体积量及位移量的改变。对于体型较大的山体滑坡，在每期测量中以1m柵大小作为格生成地形DEM，但是由于遮挡等因素的存在，DEM无法直接对比，所以被遮挡的山体不能进行计算。

4　结语

通过对该滑坡Ⅱ区采用三维激光扫描技术监测，结合I-SITE Studio软件对数据进行处理，在滑坡监测中取得了较好的效果。三维激光扫描技术对地表滑坡表面的变形情况进行检测，能够进行定量分析，对大中型山体滑坡变形监测尤其适用，该方法具有大面积监测和效率高的特点，只需要一至二人，一两天到现场进行监测即可，大大降低了工作量，节约了人力、物力。因为滑坡的面积较大，在数据采集的过程中，受植被遮挡、环境变化、滤波等因素的干扰，难以进行严格的控制，还有就是在数据坐标转换中，存在一定的误差，所以对于一些植被覆盖广的大型滑坡，监测结果精度至多达到厘米级，无法达到毫米级。随着三维激光扫描技术的进一步改进和完善，该技术的在更多的岩土工程监测中应用的前景会更加广阔。

[1]刘明坤,段奇三,赵晨曦.三维激光扫描在滑坡灾害变形中的监测应用 [J].测绘通报, 2016,02(14):147-149.

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X83[文献码]B

1000-405X（2016）-9-202-2