基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理

基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理

王星博刘秀秀

西安市勘察测绘院陕西西安710054

摘要：我国地大物博，地形丰富多变，这也使我国成为世界上地质灾害较为频繁的一个国家。在地质灾害当中，滑坡灾害发生几率较为频繁，由滑坡引发的人身财产安全问题较为普遍。为了对滑坡地质灾害进行有效监测，三维激光扫描技术进行了有效应用，这一技术手段改变了GPS监测存在的缺陷，保证滑坡变形监测更加全面，并且数据信息更容易获取。

关键词：三维激光扫描；滑坡变形监测；数据处理

目前，国内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。

1.三维激光扫描仪原理介绍

三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统，它是由一台高速精确的激光测距仪和一组可以引导激光以均匀角速度扫描的反射棱镜组成的．激光测距仪既可以主动发射激光，同时又可以接收由自然物体表面反射的光线，从而进行测距．在每一个扫描点都可以测得测站到扫描点的斜距，再参照扫描的水平方向角和垂直方向角，就可以得到每一扫描点与测站之间的空间相对坐标。其工程应用流程如下。一是控制测量。为激光点云数据的配准和定向提供依据。二是激光扫描仪静态测量。将扫描仪及标靶放置在控制点上，对测区扫描并定向。三是激光点云数据的处理。删除噪声点及剔除冗余数据、点云配准及定向等，对三维激光扫描技术应用精度及效率进行评定。

2.三维激光扫描的滑坡变形监测

在对滑坡变形监测过程中，通过利用三维激光扫描技术，能够对相关数据信息进行较好的获取，并且具有较高的安全性和可靠性。三维激光扫描技术通过架设扫描仪、GPS接收机、全站仪等仪器设备，选择监测点，对滑坡进行监测。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。在滑坡变形监测过程中，要将数据信息集中于统一的坐标系中，并结合观测点周围的稳定性状态，保证三维坐标设计更加合理、可靠。同时，基于三维激光扫描的滑坡变形监测，扫描仪安放的位置必须进行慎重考虑，并且对扫描范围以及扫描密度参数进行把握，利用这些定向标识，对滑坡变形信息进行较好的获取，保证数据信息能够反映出滑坡变形的实际情况。在地质环境监测当中，常使用到的是GPS设备以及全站类型监测仪设备。这种监测设备在实际的工作中能有效的对某几个目标点进行监测，并能掌握目标点地质方面的各种变化情况。影响了现代地质方面的检测工作。为了提升对于地质土层问题的监管力度，在现代对土层信息进行监管的阶段中还会采用三维激光类型的地质情况检测技术。在使用三维激光类型数据扫描技术进行地质分析的时候能更为准确的掌握地下土层的变化情况，三维激光类型地质扫描技术的出现，强化了对于滑坡类型地质问题的预防效果。但这种地质信息扫描技术在使用中也存在一些缺陷，比如在这种技术被用到实际的地质扫描的时候，由于两次扫描检测所选择的点不能重复，因此这种扫描分析方式不能直接获取到相应地质土层当中的形变情况。

3.数据处理

在运用三维激光类型地质扫描分析方式进行数据检测的时候，可以看做是在相应的区域内预设了无数个点，通过对这种密集点的检测来实现对整个区域地质情况的分析了解。由于在三维激光类型地质扫描中监测点数量众多，因此在数据进行分析处理的时候也更像是一种地质信息云处理操作。

3.1数据信息云处理模式。在对总量偏大的信息数据进行处理的时候，需要能运用到专门的检测设备对相应的数据进行处理，以确保数据处理的高效性。首先，需要能对扫描到地质信息云数据进行编辑处理，在这一阶段主要需要去除数据中存在的粗差，并在以相应地区实地貌信息为基础建立模型的时候找到并剔除掉多余的数据点。其次，要做好配准以及拼接方面的处理工作，在采用三维激光类型地理信息数据监测处理的时候，单次所能处理的地区面积带有一定的局限性，因此构建全区范围内的完整数据模型，则需要将局部数据信息模型和区域内的信息数据模型联系在一起，也就需要处理好局部地区的信息模型和整个区域信息模型之间的转化、拼接工作。在目前的拼接处理当中常采用的处理方式有两种，一种是以区域范围的三维激光地质扫描数据为基准，之后将局部范围内的数据信息和区域范围内的数据信息相连接。一种是以局部地质信息为基准，将其他区域内的地质信息数据转化过来，通过将不同区域中地质数据信息全部都转化到同一个直角坐标系中，建立一个立体全面的数据模型体系。最后，在掌握了全面的数据信息之后，就要根据这些信息数据建立相应的地质信息模型，更好的完成地质变化情况监管工作。

3.2变形部分的识别处。在对地质区域内的变形部分进行识别的时候，三维激光类型地质扫描分析技术和全站类型扫描技术或者是GPS类型测量技术相比，需要进行更多的处理。在使用GPS类型或者全站类型测量技术的时候，由于这两种监测技术有清晰而明确的监测点，所以就能直接测量出地质变形部分的变形量。但相比之下，三维激光类型地质扫描方式每次所选择的具体扫描点都会存在偏差。为了提取出三维激光类型地质扫描技术获得的数据模型，每次分析的时候都要从扫描云数据当中找到相应的点，，以此为基础建立良好的数据模型。在分析的时候，常常不是以点为目标进行的数据分析，而是以点群为目标开展的分析方式，并且需要在分析中能根据颜色信息变化以及具体强度信息变化为依据，识别出相应地质区域内的变形情况。目前在实际选取变形检测块的阶段中，常会包含两种处理方式。一种是自然类型的监测块，另一种为人工类型监测块。在检测地段的表面部分有时候会存在大量分布不规则的岩石块，由于这些岩石块其表面有较强的放射性，因此也就能较为容易的将这些岩石块识别出来，并当做监测块使用。而如果监测目标区域中积土较多，导致能被利用到的监测块数量较少。那么，工作人员为了保证对于变形部分监测效果的准确性，会采用人工设置监测块的方式，并且在选择相应监测块的时候主要以简单便捷、造价成本低、辨识度高作为变形程度监测块的选择标准。

3.3变形点坐标的计算。首先，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。之后，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。

三维激光扫描技术应用到滑坡灾害监测预警体系中，无疑有着广阔的潜力。地面三维激光扫描技术的测量方式和数据结构完全不同于传统的测量手段，其数据处理也完全不同于已有的理论方法，具体应用到滑坡的变形监测与预测预报时尚存在许多理论问题和实际问题有待解决，需要继续研究。

参考文献：

[1]张琛，董晨洋.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理研究[J].世界有色金属，2017（8）：85.

[2]刘文静.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理研究[J].化工管理，2016（35）.