三维激光扫描技术在某滑坡变形监测中的应用

【摘要】抚顺市西露天矿南帮滑坡具有规模较大、地表变形较严重、变形速率较快等特征。采用传统的测绘方法很难从整体大规模变形上提供详细的监测数据。本文采用国际上先进的三维激光扫描技术，获取整个南帮边坡

的数字表面模型，进行不同时间段数字表面模型的比较来分析出具体的滑坡体变形趋势，从而为滑坡的地表变形监测和稳定性分析提供及时的数据。

【关键词】 三维激光扫描；变形监测；扫描站点；拼接；点云

0.引 言

抚顺市西露天矿南帮滑坡经勘查、野外地质调查等相关工作，确定滑坡的规模为特大型滑坡，且滑坡变形速率较大。传统的滑坡地表变形测量方法不能进行滑坡整体上大规模的测量。三维激光扫描技术作为一种非接触式的测量方式，可以快速地、高精度地获取大面积测量对象的表面三位数据坐标，及时地为滑坡变形趋势分析提供有力的数据支持。本文就是通过三维激光扫描技术获取整个南帮滑坡的地表三位数据，建立数字表面模型，并对不同时间段数字表面模型进行比较，分析出滑坡体变形趋势。

1.三维激光扫描技术工作原理及工作流程

本项目使用的仪器为RIEGL VZ-1000，该仪器采用了最先进的1064nm近红外倍频光纤激光器，扫描距离可达1400米；使用多棱镜旋转的扫描方式每秒发射30万个激光脉冲进行非接触的三维数据获取工作。基于其独有的回波数字化和在线波形处理功能实现高精度的测距。实践证明即使在比较恶劣的测量环境下VZ-1000也能实现高精度的测量和多重目标回波的辨识。VZ-1000扫描装置为多边形棱镜，提供了完全线性，单向，平行的扫描点云。工作流程分为数据采集、数据导入、建模和数据导出等部分。

2.三维激光扫描技术用于西露天矿南帮滑坡变形监测中

2.1监测方案的设计及监测点的建立

三维激光扫描为区域性的范围监测。西露天矿南帮滑坡三维扫描系统设立5个基点：在北帮建立1个不动站点对南帮进行定期扫描；另外在南帮坑底滑坡体前缘的东部、中部、西部及东边界位置选取4个移动站点对滑坡变形进行三维扫描，以获取较全面的南帮扫描数据。三维激光扫描主要监测区域面积为3.2km2。

2.2数据采集

采用全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射高达300000点的纤细光束，提高达0.0005°的角分辨率。使用多棱镜旋转的扫描方式每秒发射30万个激光脉冲进行非接触的三维数据获取工作。基于其独有的回波数字化和在线波形处理功能实现高精度的测距。野外测量时，扫描仪整体扫描密度设置为100米处点的垂直和水平分布为10CM，扫描时间为每站30分钟，整体外业扫描时间为120分钟，扫描周期为每周一次，三维激光扫描共计设置4个扫描站点，每个扫描站点分别测量两处RTK已知点。

2.3数据处理

野外三维激光扫描结束后，回到室内通过使用RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪配套软件，对监测区内整体扫描数据进行粗拼接、精拼接，同时将整体点云数据的内部独立坐标系统纠正到大地坐标系统。之后对不同时间、相同坐标系统的两次测量结果进行比对。

（1）数据拼接

数据导入后，可以使用全自动拼接模块对点云数据进行拼接，选取相应的扫描站对拼接模型参数进行设置。建模参数的设定主要是最大平面误差的限制，此次设置为0.015米，其次是最近距离以及最大三角形边长，参考范围也可根据实际需要进行定义。模型建立好之后就可以进行点云运算过程。然后，对扫描数据的拼接结果进行检验，如果精度满足我们的实际使用需求，可以进行后面的坐标纠正及及数据分析过程。如果精度达不到实际工作需求，重新进行拼接和参数设置过程，知道拼接结果的精度达到工作需要。。

（2）纠正坐标

纠正坐标的目的就是使用坐标系纠正工具将点云中的标靶纠正到RTK得到的真实坐标系统中去，使得拼接之后的数据具有真实大地坐标，真实地反映出滑坡坡体的地表变形情况。每次日常监测时都会在三维扫描站周围设置两个明显标靶片并准确测量标靶片的大地坐标，使用该工具进行自动匹配计算，最低7个RTK已知点，精度限制在0.1m对其进行精确的坐标系纠正转换。

3.三维激光扫描数据分析

通过不同时间段数字表面模型的比较来分析出具体的滑坡体形变趋势，根据监测结果分析滑坡体变形特征和变形趋势。

（1） 储料仓北侧墙体不同时段扫描结果对比

图2为位于E1000测线、-30m标高处的储料仓北侧墙体不同时段扫描对比图。

图中粉色点云图像为较早时段扫描数据，绿色点云图像为较晚时段扫描数据。可以看出，2014年11月22日与2014年3月18日对比，储料仓北侧墙置发生水平位移27.339m。

（2）缓冲仓及传输皮带不同时段扫描结果对比

图3为位于E400测线、-180m标高处的缓冲仓及传输皮带不同时段扫描对比图。

图中绿色点云图像为较早时段扫描数据，粉色点云图像为较晚时段扫描数据。可以看出，2014年6月26日与2014年3月18日对比，缓冲仓及传输皮带位置发生水平位移9.95m，垂直位移4.91m。

上述对储料仓北侧墙体和传输皮带扫描结果对比分析是提取滑坡变形典型部位进行不同时段的对比分析，通过对比结果可以得出变形的位移和变形运动方位。

（3）西露天矿南帮滑坡整体不同时段扫描结果对比

图4为不同阶段扫描数据结果对比分析。图中黄色―红色区域表示抬升，抬升范围在0.1m-50m；绿色―蓝色区域表示沉降，沉降范围在0.2m-25m；深绿色为中立区域，变形不明显，变化范围在-0.1m至0.1m。图右侧的色谱对照表表示其抬升、下降详细范围。整个南帮滑坡的不同时段扫描结果对比分析，得出：滑坡前缘以抬升运动为主，排除人工回填压脚的部位；滑坡后缘以沉降运动为主。这与实际野外测量结果相吻合，可以很好地反映出滑坡的变形趋势。

4.结论

本文通过三维激光扫描技术在抚顺市西露天矿变形监测中应用，利用不同时间段数字表面模型对比分析，得出滑坡体形变趋势。克服了传统测绘方法在滑坡变形监测中的局限性，可以实现滑坡非接触性的主动式全局观测。

参考文献

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