陈世坤

（四川峨眉山地质工程勘察有限责任公司，四川 乐山 614000）

前言：作为新兴测绘技术，三维激光扫描技术近年来在我国工程建设等领域广泛应用，具备高精度、高效率优势，通过对新型空间信息数据获取手段与工具的集成，该技术在地质灾害体测绘生产中也具备较高应用价值。为保证滑坡地质灾害体测绘生产中三维激光扫描技术得到科学应用，正是本文研究目标所在。

一、地质灾害体测绘生产中三维激光扫描技术的应用方法

（一）技术原理

作为测绘领域的技术革命，三维激光扫描技术能够突破单点变形观测的传统模式限制，通过数据采集的“面测量”取代以往的“点测量”，本文研究主要围绕地面型三维激光扫描技术应用展开，该技术主要由软件控制平台、数据处理平台、扫描仪旋转平台、数码相机、三维激光扫描仪等组成，本质上属于新型空间信息数据获取手段，集合多种高新技术于一身。三维激光扫描仪由激光扫描系统和激光测距系统组成，部分三维激光扫描仪还集成有WLAN 天线设备、GPS 接收机、数码相机、校正系统、电荷耦合器件。三维激光扫描仪可细分为手持型、地面型、机载型、特殊型四类，地面型可细分为固定式激光扫描系统、移动式激光扫描系统。激光扫描系统能够实现对距离信息、角度信息、强度信息等观测数据的直接获取，角度信息为用于反射脉冲激光反射镜的角度值，即竖直方向角、水平方向角，可分别表示为θ、α。强度信息为扫描点反射强度，可表示为I。距离信息为脉冲激光传播时间，可由此通过计算确定扫描点与仪器距离值，可表示为S。通过获取的距离信息和角度信息开展计算，即可确定三维点云数据点具体三维坐标值，反射点颜色赋予由强度信息负责。

（二）应用方法

本文研究主要围绕地面型三维激光扫描技术在滑坡地质灾害体测绘生产中的应用展开，通过对滑坡体进行扫描监测，可以得到一个面上不同点的数据，扫描物体的表面由此形成。云数据处理需要围绕“点群”单位进行，为实现对监测物获取，需结合点云数据提供的大小、形状、纹理、颜色、色调等标志完成体积较大的物块分辨，滑坡体上这类物块选择存在的形式有两种，包括滑坡体上裸露的岩石块，这类岩石块存在明显的物理特征和几何特征，点云数据能够识别这类岩石块得到独立个体。另一种形式需要布设便于识别、简单的物体，这种形式适用于大量裸露土体的滑坡体，以此替代适合监测的天然地物；地面型三维激光扫描技术应用还需要开展坐标计算，需要将选择的监测物视作均匀物质，以此结合点云数完成监测物重心的三维坐标计算，得到“同名点”。相较于全站仪、GPS 能够对监测点进行直接测量获取三维数据，地面型三维激光扫描技术应用需要对同名点三维坐标数据进行计算，这种计算存在相对较低点位精度，但存在更多的监测物数量，效率更高，即便需要布设标靶也存在更高效率；在地面型三维激光扫描技术应用的点云数据处理过程中，可应用成熟的处理软件，如3DReshaper 软件、SouthLidar 软件等，具体处理过程涉及数据编辑、数据配准、数据拼接、数据比较等内容。数据编辑环节需要将粗差剔除，点云数据与建模无关的需要剔除。数据配准需要进行同名点寻找，测量获取的点云数据和同名点需要开展坐标转换，具体需要向控制点和基准点统一的坐标系统转换，同一测站获得的基准点、控制点、同名点需要构成整体。数据拼接需结合不同测站公共点坐标，将对应点云数据向统一坐标系统中转换，构成整体。数据比较需要开展被测区对应实体模型建设，这需要充分应用点云数据。在滑坡地质灾害体测绘生产中，需要对各个监测物进行虚拟“重心”坐标提取，以此获取同名点，这种测绘无需对整个滑坡体点云数据进行计算，仅需要比较分析“重心”坐标。

二、地质灾害体测绘生产中三维激光扫描技术的具体应用

（一）案例概况

为提升研究的实践价值，本文以某巨型滑坡作为研究对象，作为典型的红土－基岩接触面滑坡，该滑坡存在较高危险程度和较差稳定性，滑坡体宽度、长度、平均厚度、体积分别为203m、296m、28m、1.68×106m3。为明确该巨型滑坡的发展变化趋势、岩体结构面滑移方向和滑移量，需围绕其开展地质灾害体测绘。为得到连续、全面、完整、关联的监测数据，该地质灾害体测绘生产应用地面三维激光扫描技术。在地面三维激光扫描技术的具体应用中，需要做好对相关地质灾害资料的收集，并对滑坡地质灾害的形成条件、分布规律、形成机理开展深入研究，以此完成监测区域的科学划定，制定基于三维激光扫描技术的地质灾害体测绘生产方案，完成地质灾害体监测，具体流程涉及收集和整理资料、实地踏勘、监测方案制定、扫描准备、扫描监测、拼接图形、扫描完全判断、处理数据、分析成果。

（二）准备工作

在应用地面三维激光扫描技术前，需做好仪器准备并布设监测点和基准点。仪器准备环节需要准备的仪器包括2 台计算机、1 套徕卡数字水准仪、4 台中海达V98接收机、三维激光扫描仪，其中三维激光扫描仪的型号为RIEGLLMS-Z420，同时需要配备Autocad、3DReshaper、Office 等软件；在布设监测点和基准点的过程中，基准点需要结合所在区域遥感地图完成布设，在进行实地踏勘后，测量人员共布设基准点6 个，选择滑坡体对面山坡较高处的稳定区，为满足监测扫描需要，同时在基准点建设强制对中观测墩。项目的高程、平面坐标分别选择1985 年国家高程基准、2000 国家大地坐标系，按照D 级精度开展GNSS 测量确定基准点的平面坐标，基于二等水准精度联测国家高程点确定基准点的高程。通过针对性地实地勘察，结合地面三维激光扫描技术应用方案，共布置监测点8 个，选择能够对地质灾害体变化进行反映的位置，同时进行标靶埋设，满足三维激光扫描仪识别需要。

（三）监测扫描

在基于地面三维激光扫描技术的监测扫描过程中，为得到高可靠性监测成果，选择“四个固定”方式开展监测扫描，即通过固定三维激光扫描仪开展每期监测，基于固定基准点观测墩按照固定顺序进行三维激光扫描仪架设完成每期监测，围绕固定的基准标靶开展各扫描站每期监测，采用固定不变的各扫描站每期扫描参数。

（四）数据处理

针对性处理监测数据同样属于地面三维激光扫描技术应用重点，为实现对地质灾害体变形情况的准确反映，对于应用地面三维激光扫描技术获取的点云数据，必须针对性处理，具体处理涉及五方面内容：第一，数据预处理。点云数据预处理需要拼接多站坐标数据，同时开展完整性分析，明确需要监测的地质灾害体是否完全得到扫描，如发现地质灾害体某部位未得到扫描需要及时开展重新扫描，保证缺失的原始点云数据得到补充；第二，数据去噪。外部环境、仪器等因素会导致地面三维激光扫描技术在应用中产生噪声点，这种噪声点可通过人工处理和平滑滤波结合方法去除，分析误差能够有效降低；第三，空间坐标归化。利用基准点高程和坐标，将整合地质灾害体各期点云数据向1985年国家高程基准和CGCS2000坐标系统一转换；第四，提取监测点坐标。结合监测点的标靶，完成各期监测点坐标提取，为成果分析使用提供依据；第五，生成地质灾害体三维表面模型。数据去噪处理后，需要进行分类，地物、植被等非地貌部分点云数据需要由此剔除，以此得到三维表面模型，为地质灾害体结构面细节变形分析和整体发展趋势分析提供基础模型。

（五）监测成果分析

1.监测点成果分析

结合从2020 年6 月22 日、2020 年12 月9 日共两期观测数据中的8 个监测点成果进行分析，可以得到表1 所的监测点成果表。

表1 监测点成果表

结合表1 进行分析可以发现，该地质灾害体正处于下移之中，存在0.1438m 的各点平均水平位移量，同时存在－0.1232m 的各点平均垂直位移量。滑坡轴位置的W4唯一最大，存在0.2139m的水平位移量及－0.2007m的垂直位移量，边缘点W8位移最小，水平位移量、垂直位移量分别为0.0814m、-0.0623m。围绕点位分布进行分析可以发现，位移随着与滑坡轴位置靠近程度而提升，越靠近则位移越大。总的来说，该地质灾害体随时存在潜在的威胁，必须开展重点监测，保证预报、预警工作严格落实。

2.断面线成果分析

地质灾害体的位移情况对比可围绕无植被覆盖区的陡坎位置进行，三维DEM 对比需要将植被去除并进行TIN 构建，这会带来一定程度精度损失，为将相关影响降到最低，选择断面切点云截面进行前后期的地质灾害体的具体变化，这种对比在精度把控方面优势明确，能够直接开展。前后两期扫描点云数据在空间坐标归化后需要结合实际坐标进行叠放，纵剖面需选择需要分析的位置获取，地质灾害体的变形情况可通过对同一位置纵剖面对比明确。具体选择地质灾害体滑坡轴剖切2 次扫描点云获得的截面图，以厘米作为位移量单位，以米作为其他定位数据单位，可得到图1 所示滑坡轴剖切线位移对比图。图1 中的黑色、红色分别代表第二期、第一期扫描地质灾害体轴剖面，由此可确定位移情况，较大位移在中部出现，底部和上部存在较小位移。

3.点云模型成果分析

地质灾害体点云数据通过3DReshaper 软件开展分类，将地物、植被等非地貌部分点云数据剔除后，可得到三维表面模型，图2 为一期、二期扫描点云数据。

结合图2 进行对比可以发现，地质灾害体存在整体位移，滑坡轴附近、垂直滑坡方向上存在较大位移，中部位移在滑坡方向上较大，底部和上部存在相对较小位移。

4.裂缝分析

研究对象地质灾害体存在小型台阶裂缝，但在应用地面三维激光扫描技术的扫描过程中，标靶和监测点未能设置在小型台阶裂缝边缘处，这使得小型台阶裂缝无法结合三维表面模型或点云数据直接获取长度、宽度等尺寸信息和变形情况。考虑到裂缝底部位置高低不一且存在不规则性特点，单一高程信息获取难度较高，因此地质灾害体的小型台阶裂缝变化情况和尺寸信息可基于等高线进行分析。结合地质灾害体三维表面模型和3DReshaper 软件，得到对应小型台阶裂缝模型等高线，通过DXF 文件以二维预览的方式将其导入Autocad2016，由此定量分析裂缝，可得到图3所示的一期、二期裂缝等高线效果图。

结合图3 进行分析可以发现，等高线密集的左上部的高程较高，属于裂缝上部，同理，右下部则为裂缝下部，这与实际地形情况一致。随高程变化，台阶裂缝的宽度和高度不同，结合软件进行计算可以确定，裂缝最低处的一期裂缝宽度、长度分别为0.586m、5.654m，二期裂缝宽度、长度分别为0.840m、5.971m，因此可确定存在0.317m 的两期间小型台阶裂缝长度变化量及0.254m 的宽度变化量。随地质灾害体一起变形的小型台阶裂缝存在较大变形量，需要对其开展重点监测并做好预警工作。地质灾害体结构面细节变形详细数据能够由裂缝分析提供，灾害预防和控制能够由此获得可靠资料与科学依据。

结论：综上所述，三维激光扫描技术能够较好用于地质灾害体测绘生产。在此基础上，本文涉及的准备工作、监测扫描、数据处理、监测成果分析等内容，在提供了可行性较高的三维激光扫描技术应用路径。为更好开展地质灾害体测绘生产，多源数据支持监测、测站与参数设置优化等方面同样需要得到重视。