三维激光扫描技术在崩塌勘查中的应用

邱相涛，袁 聪，方 钊

(四川省第六地质大队,四川 泸州 646000)

0 引言

崩塌是我国地质灾害的常见形式之一,约占全国地质灾害的15%,国内外许多崩塌案例都造成了巨大的损失,因此崩塌治理工作在提高生态环境安全和保障人民生命财产安全方面至关重要。当前崩塌野外勘查中,地形图测量方式以全站仪+RTK为主,近年增加了无人机正射投影拍摄测量,测量成果能准确反映地形变化情况,体现崩塌与威胁对象之间平面关系,但对崩塌危岩带和危岩单体所在立面难以直观展现。同时由于地形条件的限制,尤其是高陡岩体崩塌,传统的人工实地接触式调查方法很难达到预期的效果[1],对危岩体的尺寸、结构面特征、坡面特征等不能准确查明,造成设计工程量与实际施工工程量存在较大误差,对项目投资和进度造成不利影响。

三维激光扫描技术在各行各业应用广泛,它可以在测量相关的很多领域起到良好的作用,同时它具有速度快、精度高的技术优势。在地质灾害防治的相关领域,国内已先后有多人都开展了三维扫描技术的研究应用,并取得丰硕的成果。如黄姗等[2]结合具体案例研究三维激光扫描技术在滑坡防治中的应用,取得的效果显著;舒飞等[3]以四川雅安天全县发生的特大规模的泥石流灾害为例,通过三维激光扫描技术获取了泥石流的高精度三维影像数据及相应的点云数据,该资料有效支撑了抢险救灾及后期的灾后重建工作。董秀军等[4]将三维激光扫描技术运用在汶川震后都汶公路的快速抢通中,效果十分明显。黄润秋等[5]在四川汉源市猴子岩崩滑的现场应急调查及危岩处理项目中,该技术发挥了十分重要的作用。

1 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是一种通过非接触方式获取空间多目标三维实体数据的新兴测量技术。它不同于传统的点测量方式,而是利用激光测距的原理,直接将各种大型、较为复杂的实体三维数据通过设备发射和接收激光,进而采集到计算机中,并快速重构出实体的点、线、面数据及相应的三维模型体等各种几何数据[6]。三维激光扫描系统由硬件和软件部分组成,其中硬件部分主要由三维激光扫描仪、电子计算机、电源、支架等,软件部分主要为系统配套软件,主要功能包括图形拼接、坐标转换、去噪及修补、DEM的生成等。目前市场应用较广的三维激光扫描系统划分为机载型和地面型。本次野外扫描工作采用加拿大Optech公司生产的IRIS 3D地面型三维激光扫描仪,三维激光扫描数据处理软件为Poly Works 10.1。

2 工程概况

二登岩崩塌位于四川省叙永县震东乡永兴村G321国道1729+600 m左侧陡崖,为国道修建时开挖形成。崩塌体整体近西南至北东向展布,长约125 m,高约18.00 m～26.00 m,地质罗盘测量其坡向133°～141°,坡度较陡,为69°～82°,局部直立。坡面岩体大面积裸露,崩塌体岩性为二叠系下统茅口组(P1m)中厚层状石灰岩。现场测量崩塌体岩层产状260°∠12°,岩体构造节理和卸荷裂隙发育,主要发育两组优势节理:L1:166°～173°∠70°～72°,L2:72°～77°∠82°～86°,岩体被卸荷裂隙、岩层面及构造裂隙切割贯通呈块状、板状,岩腔发育,崩塌体外侧存在高陡临空面,稳定性较差。经现场调查,二登岩崩塌灾害体共发育一个危岩带,危岩带面积约2 250 m2,危岩带内主要发育8处危岩单体,危岩体大多已有明显卸荷变形迹象,根据定性分析结果其现状呈欠稳定状态。危岩出露岩层为石灰岩,裂隙发育间距较小,单个块体体积大小不一,坡面植被发育,在根劈作用、暴雨或地震作用下可能发生破坏(见图1)。近年雨季,多次发生较大规模崩塌,对下方国道路面造成破坏且严重威胁过往行人、车辆生命财产安全(见图2)。

3 三维激光扫描

3.1 数据现场采集

本次数据现场采集工作采用加拿大Optech公司生产的IRIS 3D三维激光扫描仪。根据本工程边坡地形地貌条件,选取了2个扫描机位点,机位点位于视野开阔、障碍物较少的地段,力求扫描范围涵盖研究区内详尽的地形、地貌及崩塌体立面特征。通过对场地周边进行踏勘,选择在场地南东侧一户居民楼顶(点1)架设仪器,对崩塌体进行正面全方位扫描。同时,为提高数据采集质量和精度,在崩塌体底部(点2)对裂隙发育的WY1危岩体进行细部扫描测量。机位点的定位信息见表1。

表1 机位点定位信息统计表

最终,本次现场数据采集工作共耗时约3.5 h,共采集点云数据6 647 367个,针对危岩带整体及局部典型危岩单体,从2处视角,分别扫描得到了2套点云数据。

3.2 室内数据处理

数据处理使用的软件为Poly Works 10.1。主要数据处理内容包括图形拼接、坐标转换、去噪及修补、DEM的生成。

在Poly Work 10.1处理软件中,数据处理主要流程为新建工程→图形拼接→坐标转换→修补处理→模型生成→成果运用。图形拼接主要是运用图像相同部位进行定位操作,选取相邻两幅扫描点云图像的3处公共点(不在同一直线上)进行拼接[7],最后得到的完整三维点云数据图像由多幅不同视角获取的点云数据图像拼接而成,处理后得到的成果图像见图3。

现场扫描得到的点云数据为独立坐标系统,参考点为扫描机点位置,且受现场条件(植被、电线杆等)的影响和限制,点云图像会存在一定数量的干扰信息。鉴于以上原因,须进行数据的坐标转换和去噪修补工作,使得扫描数据完整,且坐标与大地坐标一致。坐标转换主要是运用图像与实景相同部位测量数据对三维扫描点进行坐标赋值,在本次测量过程中,在测区内选择3处实景作为标记点,并通过实测其坐标,再进行数据赋值,从而实现将整个点云数据图像点云坐标转换成为大地坐标。为减少云数据处理的累计误差,在提高扫描仪定位点精度的同时,根据实地条件,力求选取的标记点间隔较大距离,均匀分布于测区内。点云数据经过图形拼接、坐标转换、去噪修补处理后,将地形数据以三维模型文件导出到其他软件中进行渲染,最终生成DEM模型。

4 成果应用

4.1 岩体控制性结构面产状量测

在崩塌勘查工作中,岩体的结构面产状是最基本的地质参数,是否能准确获取对边坡稳定性分析起到很关键作用,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影响,导致传统罗盘测量产状的方法难以实现,或某些区域由于受构造影响,地层产状在一定范围内具有较大的变化,三维激光扫描技术能有效解决准确获取岩体结构面产状这一技术难题。虽然三维激光扫描技术数据处理软件工具栏未直接提供产状量测功能,但可以通过生成模拟地质结构面,在结构面上布设相关剖面,进而量测结构面相关参数,通过参数的转换计算,最终实现岩体结构面产状量测的目的。

通过现场调查和对获取的三维数据进行分析,边坡体主要受二组陡倾的卸荷结构面控制,由于平整的结构面主要分布在陡壁上,难以直接测量其产状,而利用数据处理后的成果能准确地获取结构面产状。主要通过在影响边坡体的主要卸荷结构面上,分别获取三个不共线点,通过这些点分别创建平面(见图4),通过反复调整后,保证创建平面与结构面尽量重合,通过查看每个面的属性,读取每个面的三个法向量,进而计算出每个平面的产状。最终得到两组结构面产状分别为L1:176°∠75.2°,L2:80°∠83.6°,与现场测量成果相符但更准确。

4.2 崩塌体空间几何参数量测

危岩区岩体内部节理裂隙发育,节理裂隙将岩体切割形成不同形态的危岩体,一般情况下以小规模的落石剥落为主,暴雨及地震条件下可形成较大规模的崩塌,崩落物多以孤石、滚石为主,少量块石,其落石大小受节理裂隙发育间距控制,运动形式多为滚落式,危害较大,可预见性差。形成的危岩体按其坡面形态特征主要分为锲型、柱形和方形,其变形失稳主要有三种方式:1)岩体下部存在岩腔,在岩体的自重作用下,岩体向下部岩腔发生掉块,形成坠落式崩塌。2)由于下部破碎岩体已崩塌脱离母体,从而引起上部岩体失去下部岩体的支撑形成倾倒式破坏。3)由于破碎岩体沿外倾结构面滑动脱离母体,从而引起上部岩体形成滑移式破坏。

根据现场调查,二登岩崩塌破坏模式主要为坠落式,由于该类危岩体岩体结构裂隙发育,且底部无支撑,为临空面,受自身重力作用,在地震或者暴雨等外界因素作用下,岩体结构面的强度逐步降低,极可能发生坠落破坏。针对该类危岩体主要采用人工清危的处理措施,该项措施要求对危岩体的尺寸有较为准确的测量,但由于某些陡壁、陡崖等地形因素的影响,导致传统皮尺、卷尺等测量方法难以实现。造成设计工程量与实际施工工程量存在较大误差,对项目投资和进度造成不利影响。而利用三维激光扫描技术能有效解决这一难题。三维激光扫描技术处理软件直接提供距离量测工具,通过锚定边界点即可测量其距离。

在Poly Works 10.1中,将数据由对齐模块输入至检测模块,打开点云数据,选择“创建向量特征”进行相应设置就可以画线或者量测距离。锚定选择危岩体的边界点即可量测其长度、高度,危岩体厚度根据剖面图及量测数据进行综合取值。测量得到的危岩体几何尺寸及体积见表2。

表2 危岩体几何尺寸及体积统计表

4.3 地质剖面的绘制

地质剖面图是按一定比例尺表示地质剖面上的地质现象及其相互关系的图件。它是在勾绘出地形轮廓的剖面上进一步反映出某一或某些地层的产状、分层、岩性、化石产出部位、地层厚度以及接触关系等地层的特征。按资料来源和精确程度,分为实测、随手、图切剖面图等。实测地质剖面精度较高,对于崩塌工程治理设计有极为重要的指导作用,但受野外地形因素影响,在崩塌勘查中,实测地质剖面多数情况下实施难度大,常以图切剖面代替实测地质剖面,但这有时也造成了较大误差。三维激光扫描技术处理软件可以利用扫描获取的点云文件在边坡任意位置作出地形剖面,从而为治理工程设计提供准确依据。

在Poly Works 10.1中,利用检测模块中的Cross-Section选项,选择“创建断面”,选择对应的方法可在边坡任意位置作出地形剖面。锚定两点形成剖面后,将剖面输出成DXf格式文件,在AutoCAD中进行调整及完善量测危岩体的平均厚度及高度,最终形成地质剖面。危岩带典型剖面图成果见图5。

5 结语

三维激光扫描技术是“继GPS技术后又一测绘技术创新”[8]。通过运用该技术能有效地提高数据获取的速度和精度,并由于其数字化、自动化、智能化的特性,三维激光扫描技术将在各行各业蓬勃发展。将三维激光扫描技术引入并运用在地质灾害防治中,将会产生明显的社会效益、环境效益和经济效益。

本文在对危岩体特征进行详细调查的基础上,在相对复杂的地形条件和地质环境中通过非接触的方式扫描点云数据,并创建三维立体模型,从而准确获取崩塌体空间几何参数、岩体结构面产状、地质剖面、影像等数据,并有效提高数据的精度,对优化设计方案及治理工程布设取得了很好的效果,对同类崩塌工程项目中危岩体的测量具有指导意义。