三維激光掃描技術在滑坡變形監測中的應用研究

何林　周彬

摘 要：為實現滑坡體的整體位移監測，結合實際生產案例，采用三維激光掃描技術對滑坡體進行了數據采集和分析。結果表明，利用三維激光掃描技術可獲取不同時期滑坡體的表面形態，生成數字高程模型（DEM），通過將這些DEM疊加分析，可以得到不同時期滑坡體的相對位移量和絕對位移量。由此可知，三維激光掃描技術可為滑坡體變形監測、災害預報以及變形機理研究提供基礎數據，具有較大的優勢。

關鍵詞：滑坡體；變形監測；三維激光掃描；數字高程模型

我國是一個地理環境特殊、地質條件復雜、地質災害嚴重的國家，每年因滑坡等地質災害造成的經濟損失不可估量。目前，用于滑坡變形監測的主要手段是全站儀和全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS），但這兩種手段都是單點監測，只能對滑坡體上有限的重要點進行監測，雖然能精確獲取該點的變化信息，如水平位移、垂直位移及變化速率，但是無法直接獲取滑坡體的整體變形信息。近景攝影測量雖然能間接獲取滑坡體的整體變形信息，但是數學模型較為復雜、處理過程較為煩瑣。

三維激光掃描可簡單高效地獲取變形體的三維數據，具有數據獲取速度快、測量成果精度高、點云密度大、非接觸式測量等優點[1]，將以前以點帶面的監測方法改為全局性的整體監測方法，能詳細了解滑坡體的細節變化和整體變化[2]，為滑坡數據采集和分析提供了新方法和新手段。

徐進軍等[1]提出利用點云上的自然特征地物、地塊上通過“重心法”和“擬合法”計算得到均勻分布于整個變形區域的大量監測點來估算整體的形變。劉昌軍等[2]提出基于八叉樹結構和改進Hausdorff距離算法進行點云與點云的精細直接比較算法，得到準確的變形區域和位移量。姚艷麗等[3-4]證明了灰色模型GM（1， 1）在滑坡預測中的優勢，也對比研究了多種軟件來分析滑坡表面整體變形，為整體變形監測提供選擇依據。

本研究系統論述了利用三維激光掃描技術進行滑坡體變形監測的技術原理、工藝流程和技術要點，并結合工程實例給出了滑坡體三維激光掃描的成果形式。

1? ? 三維激光掃描原理

三維激光掃描的原理是通過激光脈沖依次掃描被測區域，測量每個激光脈沖從發出到經被測物體表面反射再返回儀器所經過的時間差（或相位差），以此計算斜距S，并通過掃描控制模塊測量每個脈沖激光的水平角α和垂直角θ，即可由公式（1）計算得到激光點在儀器坐標系中的三維坐標：

利用三維激光掃描獲取對象表面精細三維模型，通過對比分析監測對象兩期或多期觀測數據，能快速準確地獲取監測對象各部分的變形狀況，對監測結果進行研究可掌握其變形發展規律，在此基礎上可進一步開展滑坡變形機理研究和災害預報研究[5]。

2? ? 數據處理

利用三維激光掃描技術進行邊坡變形監測的主要技術流程如圖1所示。

首先，在測區內布設控制網?？刂凭W是進行掃描和點云對比分析的基礎，一般可通過GNSS或全站儀進行布設?？刂凭W布設完成后即進行三維激光數據野外采集，野外架站點和架站數根據現場情況靈活調整。通過掃描得到每個點的三維坐標、反射強度和顏色等信息，可以根據顏色和強度信息，結合點云的上下文信息，分辨出不同的測量物體。數據采集完成后即進行點云數據拼接和坐標轉換，主要是將各測站的點云數據拼接成整體并轉換到國家統一坐標系下。點云去噪是將掃描過程中的噪聲去除，為點云分類奠定良好的基礎。在點云分類完成的基礎上，可進行地表模型構建。通過兩期以上不同掃描數據的對比，得到滑坡的變形量與變形規律，為進一步研究滑坡變形機理提供基礎數據，為滑坡變形趨勢分析提供現勢數據。

2.1? 點云數據拼接

由于滑坡體較大，為獲取滑坡體的完整形態，需要從多個角度分別進行掃描，架設站數根據滑坡體的位置、大小、形態確定。各測站獲取的點云數據采用的是以各測站儀器中心為坐標原點的獨立坐標系，因此，需要對各測站數據進行拼接，統一到同一坐標系下。各測站的點云數據通過公共點進行拼接，一般采用最近點迭代（Iterative Closest Point，ICP）算法進行解算，如公式（2）所示：

2.2? 點云數據坐標轉換

為了檢驗滑坡體的掃描精度，通常采用高精度全站儀進行數據比對，因此，需要將掃描點云數據坐標（x， y， z）轉換到國家大地坐標系（X， Y， H）下。已知3個以上公共點在掃描坐標系和國家統一坐標系中的坐標，可通過坐標變換將點云數據轉換到國家統一坐標系下，如公式（3）所示：

將掃描點云數據轉換到國家統一坐標系下后，可用全站儀檢驗掃描的點云精度。此外，變形監測是對獲取的多期點云數據進行比較分析，因此，各期掃描數據也必須統一到同一坐標系下。為了便于對比分析兩期不同觀測時間所獲取的點云數據，需要在滑坡體影響范圍外，較為安全、通視條件良好和地質基本穩定的地方布設3個以上控制點作為變形監測的基準點。為了保證觀測精度，一般使用強制對中觀測墩。變形監測的坐標系統可根據項目特點確定，既可采用獨立坐標系統，也可采用國際統一坐標系統。

2.3? 點云去噪

在實際掃描過程中，由于環境的干擾、人員車輛的移動、局地微氣候的改變、被測物體表面和地面的水等因素的影響，掃描的點云數據包括大量虛點、浮點、雜點、錯點以及噪聲點。為了保證監測準確性，必須對原始數據進行去噪處理，將點云中噪聲的影響降到最低。目前，一般采用半自動化的人機交互式方法進行去噪。

2.4? 點云分類

在進行點云去噪后，得到較為純凈的點云，但此時的點云包括地面地形點、植被點、建筑房屋點、電力桿塔、行人和車輛點等各種地形地物點。各種類型的點對變形觀測的影響不同，其中，植被生長較快，行人和車輛等變化較大，而地形點、房屋點、電力桿塔等相對穩定。激光點云分類的主要目的是提取地表點，在點云去噪的基礎上，根據測區地形情況，通過設定合適的參數，用TerraScan軟件進行處理，對地面點、植被、房屋、電線桿等點云進行分類，為后期數據處理和分析奠定基礎。

3? ? 變形分析

由于點云數據的離散性，同一物體在不同時期很難對同一點進行掃描，因此，直接利用點云進行對比分析難以反映物體的變形情況，需要對點云數據進行處理，以分類的地面點為基礎，構建不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）或者數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）模型，通過模型與模型之間的比較，檢測出滑坡體的變形，并提取出相關變形量。由滑坡點云數據生成的TIN還可以計算兩期點云數據相對于同一參考平面的體積變化量。

激光技術也存在精度問題，就空間掃描測繪而言，最直接的影響因素是角度、距離；就三維重構應用而言，最直接的影響因素是精度分布的均勻性及點云密度。前者涉及點云數據中每個點的精確性，后者涉及重建后的整體精確性[6-8]。

4? ? 工程案例分析

在本研究中，第1期地形采集時間為2014年。數據采集分為兩個部分—控制網布設和三維激光掃描儀數據采集。根據現場情況，控制網采用閉合導線形式，共由8個控制點構成?？刂泣c由布設在滑坡影響范圍外穩定基巖上的3個基準點起算。為分析該邊坡表面的穩定狀態，生成該邊坡等高線地形圖，如圖2所示。

發生滑坡地質災害后，使用三維激光掃描儀獲取滑坡區數據，三維激光掃描以能完整覆蓋整個滑坡監測區域為準，并將所有控制點全部掃描在內。本次數據采集同樣采用控制網布設和三維激光掃描完成，控制網以原有控制網為基礎進行復測，由原基準點起算。本項目掃描獲取的點云數據如圖3所示。

對掃描的點云進行分類處理，將分類所得地面點進行封裝，得到如圖4所示的DEM模型。

將原始地形圖和滑坡后的點云數據疊加，可直接對該滑坡體變形量進行量測，精確獲取該滑坡發生的位置坐標、滑坡體長度和寬度等信息。通過前后兩期滑坡數據的對比，可以精確計算出本次滑坡的土方量。在本項目中，計算得到滑坡的土方量為431 m³，如圖5所示。

5? ? 結論和展望

滑坡變形是一種危害性較大的常見地質災害，三維激光掃描技術作為一種新興技術，在滑坡變形監測中有著特殊的優勢，本研究主要闡述了三維激光掃描在滑坡變形監測應用中的數學模型和實施步驟，對今后開展此類工程具有一定的參考意義。

與傳統測量手段相比，三維激光掃描技術能密集全面地獲取地面信息，在較遠的距離以較高的精度獲取滑坡體的變形量，從而保證工程人員的安全，同時以較高的精度和較大的密度獲取地面點數據，實現從點到面的監測，可大范圍獲取高分辨率的海量數據，進而判斷出變形區域、變形趨勢和變形量，大幅提高滑坡監測的準確性、科學性和安全性，也為滑坡變形的機理研究提供了可靠的數據基礎。

[參考文獻]

[1]徐進軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理[J].巖土力學，2010（7）：2188-2191.

[2]劉昌軍，劉會玲，張順福.基于激光點云直接比較算法的邊坡變形監測技術研究[J].巖土力學與工程學報，2015（1）：3281-3288.

[3]姚艷麗，蔣勝平，王紅平.基于地面三維激光掃描技術的滑坡模型監測與預測[J].測繪科學，2014（11）：42-46.

[4]姚艷麗，蔣勝平，王紅平.基于地面三維激光掃描儀的滑坡整體變形監測方法[J].測繪地理信息，2014（1）：50-53.

[5]歐斌，孔祥玲，孫睿英.邊坡擋墻變形監測新技術研究[J].測繪與空間地理信息，2014（5）：219-221.

[6]王舉，張成才.基于高精準三維模型的土石壩整體變形監測研究[J].水利水電技術，2014（4）：122-126.

[7]謝謨文，胡嫚，王立偉.基于三維激光掃描儀的滑坡表面變形監測方法—以金坪子滑坡為例[J].中國地質災害與防治學報，2013（4）：85-92.

[8]馬俊偉，唐輝明，胡新麗，等.三維激光掃描技術在滑坡物理模型試驗中的應用[J].巖土力學，2014（5）：1495-1505.

Application of 3D laser scanning technology in landslide deformation monitoring

He Lin Zhou Bin

（1.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co. Ltd.， Guiyang 550081， China;

2.Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower， Guiyang 551416， China）

Abstract：In order to achieve overall displacement monitoring of landslide body， combined with actual production cases， 3D laser scanning technology was used to collect and analyze data on the landslide body. The results show that the surface morphology of landslide bodies in different periods can be obtained by 3D laser scanning technology， and digital elevation models （DEM） can be generated， and the relative displacement and absolute displacement of landslide bodies in different periods can be obtained by superimposing these DEM. It can be seen that 3D laser scanning technology can provide basic data for landslide body deformation monitoring， disaster prediction and deformation mechanism research， which has great advantages.

Key words： landslide body; deformation monitoring; 3D laser scanning; digital elevation model