基于三维激光扫描的大型危岩结构特征分析

杨 虎， 蒋军伟

(重庆蜀通岩土工程有限公司，重庆 401120)



基于三维激光扫描的大型危岩结构特征分析

杨 虎， 蒋军伟

(重庆蜀通岩土工程有限公司，重庆 401120)

三维激光扫描技术逐渐被用于野外地质调查之中，尤其是对于人类无法到达的高陡区域。文章以重庆南川区一大型危岩体为例，利用三维激光扫描技术对其进行结构特征调查，并识别危岩的分布范围。

三维激光扫描； 危岩体； 结构特征

一些大型危岩体，往往发育于高陡斜坡上，大部分危岩体人力难以企及，传统的实地调查方法难以实施，必须采用远距离、非接触、高精度的调查手段，才能对危岩体进行准确的定位，确定其几何参数、岩体结构特征和边界条件等。国内外部分学者对此类难题的研究进行了大量探索，如数字摄影测量、数码相对解译等，这些技术能将二维照片处理形成三维图像，测量岩体结构面方位、间距、迹长和面积等。但这些基于中心投影的测量方法，很难准确地测定岩体的坐标、高程等信息，同时对于危险地段难以设置参照物，另外受天气、光线等条件影响较大，实用性不强，准确性不高，很难在实际工程中推广。相比之下，利用三维激光扫描技术来进行岩体现场调查具有显著优势。本文以重庆甑子岩危岩体为例，采用三维激光扫描技术对其进行了危岩分布及结构特征调查。

1 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是近年来发展起来了一门新技术，其被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”[1-3]。该技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，能够完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于技术上突破了传统的单点测量方法，其测量精度高、速度快、逼近原形，是目前国内外测绘领域研究关注的热点之一。

传统的三维数据采集手段主要有[4]：单点采集三维坐标的方法，如GPS高精度定位、三维坐标测量机、全站仪系统等；基于光学摄影测量原理的近景摄影测量、航空摄影测量等。单点采集三维坐标方法效率低、复杂场地工作时间长、对需要海量数据的结构面、实体描述难以详尽，利用光学摄影原理使用软件对数据图像推拟获取实体三维数据模型的方法，由于采集数据的硬件设备及后期处理等原因，存在操作繁琐、误差较大欠稳定的问题。三维激光扫描技术与传统的技术手段有着较大的区别，该技术突破了传统的单点测量方法，能够快速获取物体表面海量三维坐标数据，这些三维坐标数据又被称为“点云”。

目前，大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法[5-7](基于激光时间漂移原理)，采用无接触式高速激光测量，以点云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。该类仪器主要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时集成数字摄影和仪器内部校正等系统。此种工作原理的三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight),是一种高速激光测时、测距技术。其获取扫描目标点云坐标原理为：根据内部精密的测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ，由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值S(图1)，从获取扫描反射接收的激光强度对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样的是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪描方向，Z轴为垂向方向。由此，可得扫描目标点P的坐标(Xs、Ys、Zs)的计算公式：

Xs=Scosθcos∂

Ys=Scosθsin∂

Zs=Ssinθ

图1 测量点坐标计算

2 研究区工程地质背景

南川区位于重庆市东南部，是连接川、黔的重要门户。甑子岩危岩体位于南川城区南侧，平距约25km处，其经度为107°08′19.15″，纬度为28°56′24.68″，其地理位置见图2。

图2 研究区地理位置

金佛山甑子岩危岩带位于重庆市南川区，该区为构造侵蚀地貌，主要为中高山区。如图3所示，危岩区地形较为陡峭，发育两级陡崖特征，陡崖下部为斜坡地形。一级陡崖高80～105m，分布高程为1 400～1 545m，岩性组成主要为栖霞组和茅口组一段石灰岩；二级陡崖高200～215m，陡崖顶部高程为1 800m左右，岩性分布主要为茅口组三、四、五段石灰岩。一、二级陡崖之间发育一陡坡，坡度30°～52°；一级陡崖坡脚为柏枝溪，沟底高程在750m左右。金佛山甑子岩危岩带主要分布于二级陡崖之上，陡崖三面临空，危岩较为发育。

图3 甑子岩危岩体地形地貌特征

3 危岩分布及结构特征

3.1 三维激光扫描技术的应用

由于研究区边坡地形条件极为恶劣，很多地方调查人员无法到达，而仅仅靠人工量测的数据难以获得边坡和危岩体完整的数据。为了得到更为准确的危岩体数据，本研究采用了三维激光扫描仪(Rigel vz4000)对边坡进行精细的扫描。在对危岩体共设立了8个站点对其进行整体扫描，然后用专门软件对获取的点云数据进行运算拼接，得到相对位置准确的三维点云图。并与无人机测量的三维模型结合，对无人机测量的数据进行补充，得到更为精确的数字三维模型。

经过三维激光扫描技术获取研究区数字三维模型以后，利用Polyworks软件对三维模型进行信息提取，例如：节理裂隙的编录(产状、迹长、张开度、间距)，对危岩体进行识别、定位、确定边界、量取几何参数，提取剖面线等操作，获得危岩体分析评价的相关信息。

但在危岩体扫描过程中，由于三维激光扫描技术为所见即所得，换句话说，因研究区内危岩都分布在陡崖处，扫描视角仅为从下向上，故在危岩后缘平台会出现扫描死角，没有扫描数据分布，并且受植被影响。因此，危岩体后缘边界的确定还需根据现场调查成果综合确定，对甑子岩进行危岩体边界的解译。经过分析研究，最后得到了甑子岩危岩体全貌和点云数据特征(图4)。

图4 危岩体点云数据特征

3.2 危岩结构特征

经地面调查并结合计三维激光扫描成果，由于危岩分布高度较大，人工无法全面准确地测得危岩体结构面产状、分布位置、间距等，主要通过三维激光扫描技术，结合现场调查，综合分析所得。

区内主要发育三组节理，多为近直立的陡倾裂隙，走向1°～10°、30°～40°及320°～330°(图5)。裂隙张开度较高，填充条件较差，连通性较好，一般延伸长度约几米，个别延伸可达几十米。甑子岩危岩体后缘发育一条主控垂直裂缝，该裂缝为一卸荷裂缝。该斜坡为一反向坡，陡崖岩体层面倾向北西，岩体结构面较为发育。

图5 裂隙走向节理玫瑰花图

3.3 危岩分布特征

南川金佛山甑子岩危岩带危岩分布及结构特征见图6。在本次研究范围内，危岩体总体分上下两级。二级危岩高程分布在1 590～1 820 m，主要以W11、W17、W18、W19、W20、W21、W22、W29和W23 号为主；一级危岩高程分布在1 400～1 500 m 左右，主要以W16、W24、W25、W26、W27、W28、W30、W31 和W34 号危岩体为主。

图6 三维激光扫描地形及危岩体分布

南川金佛山甑子岩危岩带位于斜坡上部陡崖带，由二叠系石灰岩及页岩组成，延伸方向总体为SE～NE 向，呈带状分布，形态呈反“L”形，危岩带可能崩塌总规模为593.86×104m3，为特大型危岩带。

危岩区地形较为陡峭，发育两级陡崖，陡崖下部为斜坡地形。一级陡崖高80～105 m，分布高程为1 400～1 545 m，岩性组成主要为栖霞组和茅口组一段石灰岩；二级陡崖高200～215 m，陡崖顶部高程为1 800 m 左右，岩性分布主要为茅口组三、四、五段石灰岩。一、二级陡崖之间发育一陡坡，坡度30°～52°；一级陡崖坡脚为柏枝溪，沟底高程在750 m 左右。金佛山甑子岩危岩带主要分布于二级陡崖之上，陡崖三面临空，危岩较为发育。危岩体发育三组节理裂隙，一组产状为25°∠89°，一组产状310°∠90°，另一组产状为300°∠5°，属层间裂隙。三组裂隙将危岩切割成块体状。形成裂缝，一般宽1～200 cm，最大达6～7 m，陡崖崖脚见岩溶大泉出露，坡顶见有地表水体沿裂隙渗透。

4 结论

本文以甑子岩危岩为例，利用三维激光扫描技术对该危岩体进行了结构特征调查，并从扫描云图中识别出了危岩分布范围。结果表明，该危岩体主要发育三组节理，多为近直立的陡倾裂隙，走向1°～10°、30°～40°及320°～330°。在本次研究范围内，危岩体总体分上下两级。二级危岩高程分布在1 590～1 820 m，有9处危岩分布；一级危岩高程分布在1 400～1 500 m 左右，分布9处危岩体。

[1] 董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都:成都理工大学,2007.

[2] 董秀军,黄润秋.三维激光扫描测量在汶川地震后都汶高速公路快速抢通中的应用[J].工程地质学报, 2008，16(6):774-779.

[3] IMInspeet Referenee Guide Version 8.0 for Windows: InnovMetrie Software Ine.:July 2003.

[4] 董秀军,黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2006，25(2):3629-3635.

[5] 杨蘅,刘求龙.三维激光扫描仪的工程应用[J].红外, 2009，30(8):24-27.

[6] 蔡润彬,潘国荣.三维激光扫描多视点云并接新方法[J].同济大学学报: 自然科学版,2006, 34(7): 913-918.

[7] Jia-Chong Du;Hung-Chao Teng.3D laser canning and GPS technology for landslide earthwork volume estimation[J]. Automation in Construction, 2007，16(5)：657-663.

杨虎(1988～)，男，本科，助理工程师，主要从事地质灾害防治工作；蒋军伟(1988～)，男，本科，助理工程师，主要从事地质灾害防治工作。

P283.4

A

[定稿日期]2017-02-18