基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理

万方数据
第７期
徐进军等：基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
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一些形状规则的变形体监测通过曲面拟合方式展开 了一些研究［７－８】，但对于在滑坡监测中的应用可行 性及其可能的结果还需要研究。
２三维激光扫描的数据采集
将扫描测量用于滑坡变形监测，顾及扫描仪特 点，可在比较安全、通视良好和基本稳定的地方建 造具有强制对中设备的几个观测墩，用于架设扫描 仪、ＧＰＳ接收机、全站仪以及瞄准标志等必要的仪 器设备。
而在滑坡变形测量中，不需要测量滑坡形状， 而只对滑坡上大量的明显点感兴趣，因此可以简化 对点云的处理，也就是说，直接利用ＧＰＳ或全站仪 测量的已知测站坐标和定向坐标，将每期和每站的 点云数据转换到统一的坐标系中。 ３．２变形监测块的识别
采用全站仪或者ＧＰＳ测量，每次都有明确而且 相同的变形监测点，由它们直接计算变形。但扫描
３数据处理方法
扫描得到的数据也称为点云数据。它是密集的 单个扫描点的集合。每个扫描点都含有三维坐标、 反射强度和颜色等信息。因此，可根据颜色和强度 信息从计算机上显示的点云数据中，很容易分辨不 同的测量物体。 ３．１点云数据的处理过程
对基于三维激光扫描的形状测量而言。一般需 要用专用软件对点云数据进行如下操作：
万方数据
２１９０
岩土力 学
２０１０定
（ａ） 岩石的扫描点云（ｂ）选取范围
Ｆｉｇ．１
图１重心法处理的主要过程
Ｓｔｅｐｓ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｅｎｔｅｒ
（ｃ）计算重心Ｇ
４试验结果分析
为研究地面三维激光扫描在滑坡监测中应用的 可行性，特进行了２个相关的试验：一是测量实验 室滑坡模型，采用人工球体监测块；二是测量实际 滑坡现场，采用自然岩石面作为监测块。数据采集 仪器是美国Ｔｒｉｍｂｌｅ公司的Ｍｅｎｓｉ ＧＳ２００地面三维 激光扫描仪。该仪器的最大测程为３５０ ｍ，属于中 程三维激光扫描仪。其平均扫描速度为５ ０００点，秒， 点位精度在１００ ｍ内为３ ｍｍ。 ４．１室内滑坡监测试验与分析
测量采用的是无合作目标的测量方式，每次测量的 测量点都不会重合。为了计算变形，还需要从每期 的点云数据中寻找同名点并计算其坐标。然而，扫 描测量与处理不是以单点为处理单位，而是以“点 群”为单位进行处理。因此，为了获得变形监测点， 必须首先从含有强度信息和颜色信息的点云数据来 分辨出各个“变形监测块”，然后再处理变形监测块 上的点云。变形监测块有两种方式：
摘要ｔ地面三维激光扫描技术可以高精度、高密度、高速度地测量物体表面三维空间坐标，从而详细描述表面细部状况。
它已经在静态形状测量中获得了成功的应用。目前，滑坡地表变形分析主要是采用ＧＰＳ或全站仪测量的少量特征点来进行，
缺乏整体变形资料。但滑坡变形体的诸多细节变化对正确的变形分析有着重要的作用，将该技术引入到滑坡变形监测与分析
室内滑坡模型（如图２）模拟了三峡库区的典 型堆积层滑坡，用于研究降雨对滑坡变形的影响。
显然，密集的测量不仅能够再现滑坡变形的轨迹， 而且还可以直接量测各点大致的三维变形量。
图３点云图显示的运动轨迹 Ｆｉｇ．３ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ ｓｈｏｗｅｄ ｂｙ ｐｏｉｎｔ－ｃｌｏｕｄ
图２室内滑坡模型（照片） Ｆｉｇ．２ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌａｎｄｓｆｉｄｅ
从每期滑坡扫描点云中可以辨认出大量监测块 体，而每一个变形监测块上都含有很多单个扫描点。 为了将一个变形监测块中的点云变成变形监测点， 采用拟合法和重心法。
（１）拟合法主要适合于处理球体类或者圆形面 的变形监测块上的点云。这类监测块由人工布设， 通过拟合球体的球心或者圆形面圆心作为变形监测 点。
（２）重心法主要处理不规则监测块体上的点云。 这类监测块可以是人工布设，也可以是自然块体。 特别地，很多自然块体都有一个平面，可以充分利 用平面法向量一致性的特性选择有效扫描点。本文 中讨论和处理的就是至少具有一个平面的监测块 体。步骤如下：
根据所使用的三维激光扫描仪的性能及技术指 标，选取了三峡库区某滑坡的其中一块进行试验（图 ４）。
中，可充分利用滑坡体上的大量点自然地物作为监测点，来完整监测和分析其变形。作为一项新的研究内容，文章对此进行
了相应的理论分析与实际测量，获得了初步满意的结果。
关键词；三维激光扫描；滑坡监测；变形计算；变形分析
中图分类号，ＴＵ ４５７
文献标识码：Ａ
Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ
①计算机显示点云图，通过软件的缩放、旋转、 平移等功能，选取监测块的一个平面。
②合理确定该面的边界，再根据法向方向的一 致性选取边界范围内的扫描点。
③求出这些扫描点的平均坐标作为对应于该监 测块的变形监测点。
重心法的处理流程见图ｌ。 如果一个监测块有多个这样的平面，就可以得 到该块上的多个监测点。 由此可知，扫描测量的变形监测点不同于ＧＰＳ、 全站仪，它不是测出来的，而是算出来的。这样处 理获得的变形精度总体而言不如ＧＰＳ或全站仪，但 却能够获得滑坡体上大批自然点的变形量，对于滑 坡整体变形分析意义重大。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ；ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
１引言
我国是世界上地质灾害分布广泛、发生频率、 危害严重的国家之一，每年因崩塌、滑坡、泥石流 等地质灾害造成的经济损失近２００亿元，死亡数百 人。长江三峡库区更是地质灾害的多发区和重灾区， 也是滑坡监测预警的重点【ｌＪ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｔａｔｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｉｔ ｃａｎ ｍｅａｓｕｒｅ ３Ｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｉ【ｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｔａｉｌ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｍａｉｎｌｙ ｗｉｔｌｌ ｓｏｍｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐｏｉｎｔｓ ｂｙ ＧＰＳ ｏｒ ｔｏｔａｌ ｓｔａｔｉｏｎ．ｂｕｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｆｅｗ ｄａｔａ，ｔｈｉｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｎｏｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅ．１１１ｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｈａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｅｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆｏｒ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｆ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｒｏｃｋｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ；ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｒｅｓｕｌｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
ＸＵ Ｊｉｎ－ｊｕｎｌ，２，ＷＡＮＧ Ｈａｉ．ｃｈｅｎ９２，３，ＬＵＯ Ｙｕ．ｚｈｅｎ２，ＷＡＮＧ Ｓｈａｎｇ．ｑｉｎ９１，ＹＡＮ Ｘｕｅ．ｑｉｎ９１
（１．Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ，Ｈｕｂｅｉ ４４３００２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈｏｎ ４３００７９。Ｃｈｉｎａ； ３．Ｈｅｂｅｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ＆Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２５０，Ｃｈｉｎａ）
（１）在实际很多的滑坡体上，都有大量散落分 布在滑坡表面的岩石块，这些自然地物的反射性相 对较强，很容易将它们从其周围环境中分辨出来， 可以作为“变形监测块”使用；
（２）如果在滑坡体上土体较多，且没有或者只 有很少的反射性较强的自然地物，则可以在滑坡体 合适的部位人工布设简单的、廉价的、能与其周围 相区别的块体标志作为“变形监测块”。 ３．３变形点坐标的计算
由于滑坡模型没有自然滑坡丰富的纹理，故在 滑坡体表面布设了６排共２２个乒乓球作为人工标志 点，其分布见图２。将扫描仪安在滑坡对面５ ｍ左 右处扫描。当降雨达到一定的时间和强度后，发现 滑坡下部开始变形。此时开始定时对滑坡体测量（约 １５ ｍｉｎ左右一次），在２ ｈ内共测量１０次。
图３显示的是其中的３次扫描数据叠加结果，
第３１卷第７期 ２０１０Baidu Nhomakorabea７月
文章编号Ｉ １０００—７５９８（２０ｌｏ）０７－－２１８８—０５
岩土
力
学
Ｒｏｃｋ ａｎｄ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
、，０１．３ｌ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２０１０
基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理
徐进军１，２，王海城２，３，罗喻真２ ９王尚庆１，严学清１
（１三峡大学三峡库区地质灾害重点实验室，湖北宜昌４４３２００：２．武汉大学测绘学院，武汉４３００７９； ３．河北水利水电勘测设计研究院，天津３００２５０）
收稿口期：２００９．０３—１９ 基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．４０６７４００８）：三峡库区地质灾害防治霞点实验室开放基金（Ｎｏ．２００６ＫＤＺ０２）。 第～作者简介：徐进军，男，１９６６年生，博士。教授，主要从事精密工程测量与灾害分析预报研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｊｘｕ＠ｓｇｇ．ｗｈＩＬｅｄｕ．ｃｎ
考虑到变形计算与分析必须在一个统一的坐标 系中进行，应根据观测墩周围的稳定性状态，在一 个统一的坐标系内定期或不定期采用ＧＰＳ或者全 站仪测量观测墩的三维坐标。
选择观测墩安置定向标志和扫描仪，整平并设 置相关参数（扫描范围、扫描密度等），即可对定向 标志和变形区域进行扫描测量，从而获得一期的滑 坡扫描数据。
目前，国内外滑坡灾害监测主要内容有地表变 形监测、深部位移监测、力学参数监测以及环境影 响因素（地表水、地下水、降雨量等）监测和宏观 地质现象监测。而地表形变监测是滑坡监测预警的 重要内容和有效手段。目前，应用最为广泛的手段
是ＧＰＳ和全站仪。但这种手段都是一种单点式监 测，也就是说只对滑坡上重要部位建立的观测墩进 行监测。这种方法的缺点是监测点数少，难以发现 无监测点区域的变形情况，而且一旦被破坏会严重 影响资料的连续性。从地面三维激光扫描的测量原 理与测量过程［２－４１可知，三维激光扫描以格网扫描 方式，高精度、高密度、高速度和免棱镜地测量地 表点，具有高时间分辨率、高空间分辨率和测量精 度均匀等特点，能详细了解滑坡体细节变形和整体 变化，但将三维激光扫描技术引入到滑坡变形监测 领域无疑是非常有意义的【卜６｜。其缺点是两次扫描 测点不可重复，从而不能直接获取变形。目前，对
万方数据
根据如图２所示布设的监测点，从上往下看， 选取了第ｌ行、第４行和第６行左右各２个点，依 次标定为１～６共６个标志点，选取了２个扫描时刻 的结果，采用球体拟合方式进行处理。计算结果见 表ｌ。
表ｌ中计算的变形值与在滑坡模型上安置的其 它位移计和摄影测量结果对比，都具有极好的一致 性。 ４．２实地滑坡监测试验
（１）编辑：主要消除粗差或裁剪掉与形状建模 无关的点云；
（２）配准和拼接：寻找并求得不同测站上的公 共点坐标，然后根据公共点坐标将不同测站测量的 点云转换到统一坐标系中，形成一个整体；也可以 根据测站坐标和定向点坐标将不同站的点云数据转 换到统一的直角坐标系中。
（３）建模：根据点云数据和物体形状建立与物 体相应的实体模型。