基于三維激光掃描技術(shù)對災(zāi)后滑坡的應(yīng)急監(jiān)測

　　摘要：針對災(zāi)后滑坡變形監(jiān)測，傳統(tǒng)的GPS和全站儀測量技術(shù)由于缺乏整體變形資料，無法全面快速地分析災(zāi)后滑坡的變形情況。本文采用三維激光掃描技術(shù)對滑坡體表面的特征地物作為監(jiān)測點進行整體監(jiān)測，將三維激光掃描技術(shù)快速的監(jiān)測效果進行驗證。結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)能快速精確地對滑坡體的滑坡變形進行對比監(jiān)測，并分析滑坡運動的變化特征，為救災(zāi)人員提供快速的安全保障。

　　本文源自科學技術(shù)創(chuàng)新,2020(34):52-53.《科學技術(shù)創(chuàng)新》雜志，于1997年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(chuàng)刊，CN:23-1600/N，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：工程科技、農(nóng)林科學、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇等。

　　1、概述

　　近年來，我國中西部地區(qū)接連出現(xiàn)特大滑坡事件，2019年7月23日貴州六盤水水城縣發(fā)生特大山體滑坡，山體滑坡的危害受到很多因素的影響，對社會經(jīng)濟和人身財產(chǎn)安全造成重大威脅[1]。在應(yīng)急搶險救災(zāi)過程中快速獲取該滑坡體地形數(shù)據(jù)，分析滑坡運動的變化特征，準確分析判斷滑坡的穩(wěn)定性，以保障救災(zāi)人員的安全尤為重要。基于此，本文利用三維激光掃描技術(shù)對災(zāi)后滑坡進行變形監(jiān)測，為分析該災(zāi)后滑坡變形趨勢以及制定救援方案提供依據(jù)。

　　2、地面三維激光掃描技術(shù)

　　三維激光掃描技術(shù)[2]是一種非接觸式主動快速獲取物體表面三維密集點云技術(shù)，成為一種高時空分辨率三維對地觀測手段，通過主動獲取物體表面三維坐標(X、Y、Z)和一定屬性(反射強度等)的不規(guī)則空間分布的三維點云[3]。三維激光掃描儀(RieglVZ-1000)是奧地利Riegl公司具有全波形回波性能、實時全波形數(shù)字處理和分析技術(shù)的脈沖式掃描儀器，掃描距離范圍達到1400m，并在100m距離處精度為5mm。

　　三維激光掃描系統(tǒng)主要包括三維激光掃描儀、外接電源、高清數(shù)碼相機、筆記本電腦、充電器、電源線、網(wǎng)絡(luò)連接線、專業(yè)三腳架和配套RiSCANPRO軟件[4]。如圖1所示為RieglVZ-1000三維激光掃描儀：

　　圖1RieglVZ-1000三維激光掃描儀

　　3、案例應(yīng)用

　　2019年7月23日21時20分許，雞場鎮(zhèn)坪地村岔溝組發(fā)生山體滑坡，由于持續(xù)降雨，山體含水量飽和出現(xiàn)土層崩塌易發(fā)生泥石流，并迅速轉(zhuǎn)化為高速碎屑流。滑坡體橫向距離約為600m，縱向垂直距離約為500m，斜距約為1650m，滑坡體面積約40萬m2，土方量大約200萬m3。如圖2為貴州水城7·23特大滑坡現(xiàn)場。

　　圖2貴州水城7·23特大滑坡

　　3.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程。對貴州水城7·23特大滑坡體點云數(shù)據(jù)的采集，采用RieglVZ-1000地面型三維激光掃描儀，采用固定單站坐標點的掃描方式，在同一位置對滑坡體進行多次掃描。在掃描時，以當天日期、前后期點云數(shù)據(jù)排序為數(shù)據(jù)命名的方式，進行點云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集工作。

　　本次掃描區(qū)域包含整個滑坡體，該滑坡體山體表面的雜草相對較少，減少了數(shù)據(jù)點云在采集過程中的干擾，也為數(shù)據(jù)的預(yù)處理提供了方便，提高了數(shù)據(jù)點云的精確性和可靠性。本次共采集滑坡體點云數(shù)據(jù)11期，其中7月25日下午采集五次，間隔0.5小時采集一次;7月26日采集4次，間隔4小時采集一次;7月27日采集2次，間隔3小時;直至搶險救災(zāi)結(jié)束。

　　3.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程。滑坡體點云數(shù)據(jù)采集完后，利用RISCANPRO軟件對采集的點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理過程主要有：多站點云拼接、噪點處理、點云濾波、數(shù)據(jù)的提取輸出等。

　　(1)點云數(shù)據(jù)的拼接。在實地進行監(jiān)測時，還需要對掃描設(shè)備進行多視角、多站點的掃描，才能獲得完整的監(jiān)測區(qū)域三維點云數(shù)據(jù)。在后續(xù)的點云數(shù)據(jù)處理過程中，將地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RISCANPRO軟件中，將布設(shè)測站控制點的坐標導(dǎo)入軟件，導(dǎo)入時把測量坐標和掃描站點坐標一一對應(yīng)，并注意坐標軸的轉(zhuǎn)換及儀器的高度。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)圖形確定北方向，然后進行粗拼，根據(jù)不同測站點的相同特征點進行粗拼，為了提高粗拼精度，一般選取拐角點、墻角點、標語處等明顯特征點進行拼接，粗拼接一般可達到厘米級精度。

　　(2)點云數(shù)據(jù)的濾波。點云數(shù)據(jù)濾波的目的是裁剪掉與所需滑坡體表面無關(guān)的點云。在點云數(shù)據(jù)獲取的過程中外界環(huán)境因素的影響、邊界阻塞、掃描目標的反射性差異和多路徑條件下，使點云數(shù)據(jù)產(chǎn)生離群點、孔洞以及噪點等。在點云中最常見的是離群點，指偏離其余觀測點而引起誤差的觀測值，主要表現(xiàn)為與鄰近區(qū)域有出入且不符合所處局部的幾何表面形態(tài)。點云粗差的存在會影響后續(xù)點云模型的建立和分析，因此點云數(shù)據(jù)濾波是點云預(yù)處理中必不可少的步驟。

　　在點云數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況對點云數(shù)據(jù)進行手動去噪等預(yù)處理。對原始數(shù)據(jù)采用手動編輯的方式去除明顯的噪點和孤點，手動選取特定的掃描監(jiān)測區(qū)域進行處理，即通過框選的命令把需要去除噪點的區(qū)域顯示，通過旋轉(zhuǎn)或平移從各個角度觀看點云數(shù)據(jù)，方便對噪點數(shù)據(jù)的去除，高效的去除無關(guān)的噪點，得到高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)。然后采用點云濾波處理非地面點云，得到去除噪點后的滑坡點云數(shù)據(jù)。如圖3為點云濾波前后的對比圖。

　　圖3點云濾波前后對比圖

　　(3)點云數(shù)據(jù)的提取。將滑坡前后不同時段掃描的點云數(shù)據(jù)采用ICP優(yōu)化算法統(tǒng)一拼接坐標后，對不同時段掃描的點云數(shù)據(jù)進行提取，提取的滑坡點云數(shù)據(jù)能夠真實反映滑坡的地表面特征狀態(tài)。

　　三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)是以*.RSP的格式儲存在RiSCANPRO軟件相應(yīng)的文件下，并能夠?qū)С龆喾N數(shù)據(jù)文件格式，如：ASCII、XYZ、SVY、PTS、PTX、TXT等，以及AutoCAD的DXF格式。最常用為TXT格式的點云本文數(shù)據(jù)文件，文本內(nèi)的每一行內(nèi)容都可以被作為一個結(jié)構(gòu)體存貯在結(jié)構(gòu)體的數(shù)組中，通過讀取*.txt數(shù)據(jù)中離散的三維點云坐標，導(dǎo)入三維建模軟件進行三維模型重建。

　　3.3建立滑坡模型。滑坡體點云仿真三維模型由點云生成的三維三角網(wǎng)來建立，其中在RiSCANPRO軟件中進行點云預(yù)處理操作后，為了優(yōu)化滑坡模型的建模效果和精度，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為通用格式，在逆向工程軟件GeomagicQualify2013中進行建模處理。在GeomagicQualify2013中導(dǎo)入坐標點數(shù)據(jù)重建滑坡三角網(wǎng)模型。并且對三角網(wǎng)模型進行優(yōu)化，在軟件中進行三角網(wǎng)格的檢查和優(yōu)化，刪除拓撲錯誤的三角面，填充因數(shù)據(jù)缺失產(chǎn)生或之前刪除三角面產(chǎn)生的孔洞。填充時對于較小的孔洞選擇依曲率匹配到周圍網(wǎng)格，對于直徑超過10cm的孔洞采取不填充操作，在后續(xù)的形變比較中作為不比較區(qū)域。為了便于滑坡體變形分析工作，對于滑坡表面散落的三角網(wǎng)進行簡化或刪除。

　　將前后兩期的點云數(shù)據(jù)建立高精度數(shù)字高程模型，在同一坐標系下，將前后兩期的DEM相減，可以高程變化得到整個滑坡監(jiān)測區(qū)域變化顯示。另外，通過RiSCANPRO軟件導(dǎo)出滑坡體點云數(shù)據(jù)，到AutoCAD中生成剖立面圖、曲線圖、三維變形曲面圖來反應(yīng)變形情況。如圖4所示，為貴州水城滑坡體點云DEM模型。

　　圖4貴州水城滑坡體DEM模型

　　4、滑坡體坡面分析

　　滑坡體的變形破壞及滑動產(chǎn)生的原因是由多方面的因素共同作用的結(jié)果，需要針對滑坡體進行監(jiān)測分析。根據(jù)前面對貴州省7·23特大滑坡體分析，根據(jù)圖5(a)點云數(shù)據(jù)剖面圖現(xiàn)場所測得的滑坡的高程數(shù)據(jù)繪制如圖5(b)CAD滑坡體剖面圖。

　　圖5滑坡體剖面圖

　　5、結(jié)論

　　綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在災(zāi)后滑坡應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用有著關(guān)鍵作用。三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)監(jiān)測人員難以到達的危險區(qū)域作業(yè)的缺陷。從外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理對多期點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼接、坐標轉(zhuǎn)換和配準等處理，然后通過對處理后的點云數(shù)據(jù)進行面狀變形的分析，證明了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在災(zāi)后滑坡體安全監(jiān)測變形的有效性和可靠性。

　　參考文獻：

　　[1]杜小玲,彭芳,藍偉,張艷梅,朱育雷.“7.23”水城特大滑坡事件的降水背景分析[J].暴雨災(zāi)害,2020,39(4):344-353.

　　[2]胡穎,謝天,楊希.三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].西部資源,2020(5):131-134.

　　[3]楊賀,王立偉,郝圣旺.基于傾角演化的滑坡監(jiān)測及穩(wěn)定過程[J].工程力學,2020,37(S1):193-199.

　　[4]康義凱.移動LiDAR系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪科學技術(shù),2017,5(1):P.1-7.