三维激光扫描技术在边坡地质编录中的应用

王梓龙 裴向军 董秀军 张硕 王双 魏小佳

摘要：西南地区地形条件复杂，高陡边坡发育普遍，其显著特点是地形起伏大，山体险峻。传统的地质编录方法是通过罗盘十皮尺进行现场地质测绘，不仅工作量大、成果精度低，而且存在人身安全隐患。以某水电站边坡为例，阐述了三维激光扫描技术在地质编录中的应用方法。其借助非接触式测量，能够快速高精度获取边坡实体密集点云数据，通过点云数据就能够解译边坡长大结构面和节理裂隙发育规律及空间展布特征，包括各级结构面分布、优势产状、延伸长度、间距等地质要素信息，从而研究结构面组合关系及其破坏模式，克服了传统地质编录的局限性。其地质要素的解译成果具有信息量丰富、准确度高的特点，将复杂的野外工作转化为内业数据进行处理，大大提高了工作效率，颠覆了传统的调查方法，具有一定创新性和先进性。

关键词：三维激光扫描；水电边坡；结构面编录；结构面解译

中图分类号：TV72 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.024

我国西南地区受青藏高原数百万年来持续隆升的影响，在其周边和云贵高原、四川盆地等过渡地带，地形从西向东急剧骤降，形成了巨大的大陆地形坡降带。发育于青藏高原的长江及其主要支流深切成谷，从而在这个地形坡降带上形成了以高山峡谷为主要特征的高边坡地质景观[1]，其显著特点是岸坡高陡险峻、地形起伏变化大。而我国主要的大中型水电站多建于此类地带，因此前期地质调查十分困难。

这类高边坡的岩体结构地质编录是水电勘察的重要内容，也是边坡破坏模式分析与稳定性评价的基础[2-3]。传统的编录方法是利用皮尺和罗盘进行现场地质测绘，确定各级结构面的相对位置、组合关系、延伸长度、厚度、间距、产状等地质要素信息，并现场勾绘结构面出露迹线。然而高边坡地形条件复杂，导致传统方法往往受限于地形，现场工作难度大，不仅耗时费力，而且影响人身安全，是影响我国水电工程建设进度的首要因素。

针对这一问题，国内外部分学者对高边坡地质编录方法进行了探索，如采用数字摄影测量、数码相片解译、VR全景技术等，将实测照片处理为3D图像，测量结构面方位、间距、迹长和面积等[4-5]。但这些方法很难准确测定结构面的坐标、高程、产状等，工程实用性不强，很难在实际工程中运用推广。

相比之下，借助三维激光扫描技术进行边坡岩体结构的地质编录具有独特的优势，它能够完整并快速地获取边坡实体点云影像数据，高精度重现实物的空间三维形态，其点云中的每个点具有真实三维坐标值，具有高分辨率、精度高、地质信息丰富等优点[6-8]。这种非接触式测量的方法实际上是将复杂繁琐的野外调查工作变成了三维影像的室内地质化解译和计算机辅助矢量化图，不仅克服了高陡边坡地形障碍难点，而且高效，通过高精度的点云数据实现了全面、系统的地质编录工作[9-10]。

笔者以某大型水电站坝址边坡为例，借助三维激光扫描技术提出边坡结构面编录的新方法，阐述该技术在高边坡地质编录中的应用特点及效果。

1 研究区工程地质条件及数据采集

1.1 工程地质条件

研究区坝址边坡位于雅砻江上游河段，河流整体较为顺直，雅砻江以S15°W方向流经坝址区，枯水期水位2400m，正常蓄水位相應谷宽220～250m。河谷为典型的V形峡谷，两岸山体雄厚，属于斜顺向坡。基岩裸露良好，为三叠系上统侏倭组变质砂岩，岩层总体产状N40°～60°E/NW∠40°～65°，坡高700～800m，坡度40°～50°，局部为陡崖断臂，呈沟梁相间的台阶状，且坡表结构面纵横发育，因此地质调查相当困难。

1.2 点云影像获取

针对坝址边坡特殊的地质条件，该次扫描在河对岸等高处，选用奥地利产RIEGL-VZ4000激光扫描仪，其采样速率为22万点/s，采样间距1mm，扫描有效距离为4km，测量误差<15mm，再加上多站点耦合矫正，从而保证误差处于亚厘米级。边坡陡岩断壁发育，各级结构面出露明显，结合已有破坏迹象初步判断，边坡存在整体滑移一剪切破坏及块体滑移破坏两种失稳模式，为了验证现场判断和研究结构面空间分布规律及发育特征，需对各级结构面进行精细测量（扫描），以此研究结构面组合关系、发育密度、连续特征、结构面之间接触关系等。

2 结构面解译原理

传统的结构面野外编录是利用罗盘直接在“面”进行产状测定，用皮尺量测迹长、间距、开度等地质要素。三维激光扫描技术获取边坡三维点云数据后，直接在计算机上通过一定方法识别结构面，测量结构面，获取地质要素信息，最终对整个边坡结构面进行编录、统计、分析。

2.1 结构面识别方法

三维激光扫描所能获取的数据是边坡表面高密度点云，只反映结构面的空间状态，故结构面的识别需要与现场调查结合，总结出在点云数据中的结构面识别方法。

（1）直接判识法。这种方法主要适合坡表出露明显的结构面，其特点是产状稳定、结构面部分张开、分布较广，肉眼可见结构面在扫描影像上直接就能识别，代表结构面有卸荷裂隙、层面、破裂面等，见图1中A类结构面。

（2）类比判识法。这类方法适合出露特征不明显、规模较小、多闭合、产状有一定变化的结构面。因其地表基本未出露或出露面较小，故这类结构面的识别往往是依据其成组平行出现的特征，找到出露明显易于识别的同组结构面来类比判识，见图1中B类结构面。

（3）推理判识法。这类结构面往往指中大型断层等Ⅱ级结构面，因其在地表出露较复杂，延伸弯曲变化大，有一定宽度且多遮挡覆盖物，故在扫描影像上不易判别，主要依据现场调查资料来判识推测。

2.2 结构面提取理论

识别结构面的目的是提取结构面方位等地质信息。需要提取由密集点云构成的结构面，使其变成可操作的对象。根据3个不共线的点组成一个平面，那么在三维扫描数据中可以选取适当数量的点生成平面β，β就代表目标结构面，由此提出采用多点拟合和三点拟合法来提取结构面（多点拟合结构面见图2）。

大多数地表出露的结构面因卸荷松弛及风化剥蚀等而凹凸不平，这类结构面可以利用三维点云数据中结构面出露面上的所有点或者大部分点来拟合生成一个β平面，该平面紧贴目标结构面α。这种方法的显著特点是克服了实际测量中结构面多起伏粗糙或悬空的难点，避免了地质罗盘单点测产状存在的不足，其效果十分理想。

三点拟合法提取的结构面主要是出露较少、特征不明显、闭合度较高的结构面，这类结构面表现为只有迹线出露，多紧闭呈线状延展分布，传统手段往往无法直接调查，都是间接测量周围同组出露结构面。三点拟合法则是在结构面上找到3个具有代表性的不在同一条直线上的点，由这3个点生成一个平面，用这个平面来拟合该结构面（见图3）。这种方法特别适合结构面在地表只有迹线出露或地形上转折的情况。

三点拟合法只使用结构面上的3个点生成平面，受结构面的起伏和地形影响，偶尔产生倾向偏转的情况，但总体效果良好。

2.3 结构面产状计算原理

在三维影像数据中确定结构面后计算其产状，基本数学模型如下：已知一个平面，如果能够确定该平面上3个不在同一直线上的点的坐标（x，y，z），就能够获得一个平面方程：

Ax+By+Cz+D=0式中：A、B、C、D为方程参数，A、B、C不同时为零，且为该平面法向坐标n=（A，B，C）[11-12]。

平面方程的4个系数能确定平面在三维空间中的姿态方位，其方位代表了结构产状。由于三维扫描数据都经过大地坐标转换，其每个点云坐标都与实际真实大地坐标一致，因此只要获取结构面上点，拟合出相应平面，即可计算出平面方程，解算出方程参数[13-15]。根据平面方程参数间的关系，可以推导出结构面产状参数的计算公式。

当A、B、C三个参数都不为0时，有：

只要确定了结构面，就能通过自编程序计算出结构面产状。

2.4 迹线及结构面间距

三维激光扫描得到边坡点云数据具有真实的三维坐标，因此可以直接在影像上获取点来表征线，线长即迹长，求得点间距即得到距离，从而确定迹长和结构面间距。

3 地质编录分析

3.1 长大结构面解译

长大结构面是控制边坡破坏的边界条件，其组合关系影响破坏模式及稳定性，因此这类结构面的编录主要是研究其空间分布规律，包括地表延伸、间距、组合关系等。因此，在三维点云数据中直接点出结构面出露迹线的特征点（能够指示延伸方向的点），每个点相当于“实测”数据，反映结构面在坡表的行迹，最后将点串联成线代表结构面（见图4）。其比传统方法能更加真实地反映长大结构面在地表发育的行迹。传统方法根据实测点通过作图法画出行迹，而对那些产状变化比较大、微地形复杂的结构面无法做到如实反映。

将所有长大结构面以线形式全部矢量化后，根据点云图就能对结构面的发育间距、发育密度以及延伸长度等地质要素进行全面统计，其准确性是传统调查无法比拟的。然后所有迹线全部以水平方向投影得到结构面的展布分布图，进而真实高精度地反映长大结构面的空间分布规律。

根据图4边坡点云数据解译，得到整个边坡的长大结构面发育特征，部分结构面特征统计见表1。

通过对坝址左岸边坡264个长大结构面的解译，发现绝大多数以硬性结构面为主，断层不发育，根据结构面展布优势方位及特点，总结以下6组。

（1）NE/NNE向陡倾角结构面。产状一般为N35°～55°E/NW（SE）∠70°～85°，发育密度相对较大，主要发育于上游侧，一般较顺直，一般延伸50m以上，少数可延伸200m以上，多形成陡坎，可构成边坡变形破坏的侧向割裂面及向冲沟破坏的后缘拉裂面。

（2）NE/NNE向中缓倾角结构面。产状一般为N40°～60°E/NW∠25°～50°，在低高程附近发育较集中，出露结构面平直，延伸较长大；可构成边坡向上游侧发生平面滑移拉裂破坏块体的潜在控制性滑移面。

（3）NW/NWW向陡倾角结构面。产状一般为N30°～50°W/SW（NE）∠70°～80°，发育较少，仅局部断层体现，一般较粗糙，出露不明显，可构成边坡变形破坏侧向割裂面及沿冲沟破坏后缘拉裂面。

（4）NW向中缓倾角结构面。产状一般为N30°～50°W/NE∠10°～30°，主要发育在边坡靠下游两河交汇处，较平直光滑，点云较清晰，可构成边坡向上游侧发生平面滑移剪切破坏块体的潜在控制性剪切面。

（5）NEE向陡倾角断层。产状一般为N70°～80°E/NW（SE）∠65°～85°，在坝址区左右岸均有发育，影像反映多为断层，一般较顺直，且延伸较长大。可构成边坡变形破坏的侧向割裂面及向冲沟破坏的后缘拉裂面。

（6）NEE向中缓倾角断层。产状一般为N70°～80°E/NW∠10°～45°，主要发育在坝址区左岸，右岸局部区域发育，延伸较长大；该组断层在左岸边坡构成边坡破坏的潜在控制性结构面，是左岸边坡向上游侧发生滑移剪切破坏的主要控制性剪切面。

通过对长大结构面空间展布关系的解译，可以进一步分析其组合关系（见表2），从而确定边坡破坏模式。

根据统计结果分析，边坡变形破坏主要为块体的滑移破坏、块体向下游方向的坠落式破坏及滑移一剪切破坏三种破壞模式。

（1）块体滑移破坏。主要为三组结构面切割形成的块体发生滑移，破坏模式见图5（a）。以第③组中陡倾坡内结构面作为后缘拉裂面，第①组结构面构成侧裂面，沿第②组中倾坡外层面形成滑移破坏。此种破坏块体规模较大，边坡现有的阶梯状地貌就是该破坏形成的。

（2）块体向下游方向的坠落式破坏。向下游方向的坠落掉块破坏为边坡坡表最普遍发育的破坏模式，在底高程靠近河谷段可见。主要受三组结构面控制：以第④组缓面作为后缘分割面，第③组结构面构成侧分面，沿第①组结构面形成滑移掉块，此种破坏模式常常形成崩塌。

（3）滑移一剪切破坏。滑移一剪切破坏为边坡最不利的破坏模式，主要受四组结构面控制：以第③组中陡倾坡内结构面作为后缘拉裂面，第①组结构面构成侧裂面，沿第②组中倾坡外层面及第④组缓倾结构面形成滑移一剪切破坏，其影响边坡整体稳定性（见图5（b））。

根据长大结构面的解译，能够分析长大结构面所切割组合的不稳定岩体的稳定性，从而针对潜在不稳定块体采取相应的锚固、防护措施。

3.2 节理裂隙解译

节理裂隙的调查是一项繁琐的工作，传统的现场工作通常仅调查典型节理裂隙发育特点，不够细致全面。而三维激光扫描技术能够在三维点云数据中对边坡地表出露节理裂隙进行系统、精确、全面的统计，从宏观上对坝址区岩体结构进行准确判断，反映裂隙分布的规律。

通过三维点云影像，获取缓倾角裂隙173条、中倾角裂隙334条、陡倾角裂隙942条，中、陡倾角裂隙约占总裂隙的88%，缓倾角裂隙仅占12%。坝址区边坡裂隙等密图见图6。

边坡的节理裂隙发育程度从大到小优势方向有下列3组：①35°～59°∠75°～88°、210°～2400∠75°～88°；②310°～320°∠35°～50°；③105°～155°∠40°～70°。缓倾角裂隙坡表发育程度相对较弱，以340°～355°∠13°～20°、40°～80°∠15°～25°为主，断续延伸，具体见表3。

根据解译的统计结果研究表明，节理裂隙发育具有以下特点：

（1）受多次构造活动的影响，坝址区裂隙发育程度高，裂隙的组数较多，恰以①、②、③三组裂隙最为发育，缓倾裂隙不发育。

（2）裂隙的延伸长度较大，一般可见延伸达数十米，其中①、②、③最大延伸可达上百米。

（3）裂隙组数规律性强。走向北西的裂隙普遍发育，形成左岸的顺坡和反坡裂隙，顺坡裂隙组发育程度明显比反坡裂隙组高；层面裂隙组稳定且发育程度略高。

（4）不同岩性层中优势裂隙及发育程度有一定差异。发育差异主要表现为厚度较大、均质的岩性层中裂隙规模较大，方向相对稳定，频度低；岩性软弱、均质性差、厚度较小的岩性层，裂隙多短小，方向性相对较差，频度相对较高。

（5）浅表部裂隙大多张开显现，尤其是顺坡向裂隙局部呈板裂状，张开显现，至深部则裂隙发育程度相对减弱，并多闭合。在有断层出露的地方，受其影响，裂隙率和裂隙频率相对较高。

4 结论

以某水电站坝址边坡为例，阐述了三维激光扫描技术在高陡边坡岩体结构地质编录中的应用方法和效果，得出如下结论：

（1）三维激光扫描技术突破传统边坡地质编录手段，将大量野外工作转换到室内完成，克服了罗盘+皮尺获取岩体结构特征信息不准确、不全面的局限性，避免了高陡边坡调查的危险，大大提高了工作效率，节约了大量的时间和资源。该技术方法在水电工程中具有良好的实用性，其编录方法在国内处于先进水平。

（2）通过边坡点云数据解译，能够获取结构面产状、间距、迹长、空间分布等大量地质要素信息，其成果具有精度高、可靠性强的特点。

（3）基于长大结构面和节理裂隙发育规律的解译成果，数据量丰富，能够为边坡破坏模式的分析提供准确的原始数据，这一点是传统手段无法比拟的。

目前，该技术方法已经在多个水电站项目中试点运行，具有良好的效果。但是该技术暂时不能完全代替传统的现场地质调查，如结构面的粗糙或光滑程度、结构面填充物质组成等不能明确判断，需要复核调查。但其工作量已经大幅降低，相信在将来可实现岩体结构的计算机全自动化编录。

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