三维激光扫描技术在滑坡灾害监测中的应用.pdf

2024 年第 2 期138中国高新科技技术应用|TECHNOLOGY APPLICATION三维激光扫描技术在滑坡灾害监测中的应用陈宇高攀四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队，四川 成都 610213摘要：传统的滑坡监测方法工作效率低下，且受现场条件限制较大，三维激光扫描技术能够快速、精确、全面地获取物体或场景的三维空间信息，具有快速、全面、高效、灵活等优点，能够获取滑坡体表面的整体变化信息。文章介绍了三维激光扫描技术的基本原理、工作流程和数据处理方法，并将其应用于四川省阿坝州一处岩质滑坡的监测中。通过与传统的全站仪监测方法进行对比，验证了三维激光扫描技术监测滑坡变形的精度和可行性。关键词：三维激光扫描；滑坡；监测；点云数据文献标识码：A中图分类号：P642文章编号：2096-4137（2024）02-138-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.42Application of 3D laser scanning technology in landslide disaster monitoringCHEN Yu,GAO PanRegional Geological Survey Team of Sichuan Geological and Mineral Exploration and Development Bureau,Chengdu 610213,ChinaAbstract:Traditional landslide monitoring methods are inefficient and limited by field conditions.Three-dimensional laser scanning technology is a device that can quickly,accurately,and comprehensively obtain the three-dimensional spatial information of objects or scenes.It has the advantages of fast,comprehensive,efficient,and flexible,and can obtain the overall change information of the landslide surface.This article introduces the basic principles,workflow,and data processing methods of three-dimensional laser scanning technology,and applies it to the monitoring of a rock landslide in Aba Prefecture,Sichuan Province.By comparing it with the traditional total station monitoring method,the accuracy and feasibility of three-dimensional laser scanning technology for monitoring landslide deformation are verified.Keywords:three-dimensional laser scanning;landslide;monitoring;point cloud data滑坡是指由于重力作用，地表岩土体沿一定的滑动面或滑动带发生相对位移的现象。滑坡是一种常见的地质灾害，广泛分布于世界各地，尤其是在山区、丘陵、河谷等地形复杂的地区。滑坡灾害不仅会造成人员伤亡和财产损失，还会破坏生态环境和基础设施，影响社会经济发展。滑坡监测是预防和减轻滑坡灾害的有效手段，可以及时发现滑坡体的变形情况，为灾害预警和防治提供依据。传统的滑坡监测方法主要基于点式测量，如水准仪、全站仪、GPS 等，通过在滑坡体上设置固定的观测点或墩，定期或连续地测量其位置变化，从而推断出滑坡体的变形规律。这些方法虽然具有较高的精度和可靠性，但也存在一些缺点，如不能全面反映滑坡体表面的整体变化信息，只能获取有限的离散点数据；工作效率低下，需要大量的人力物力投入；受现场条件限制较大，如观测点或墩易被破坏或遮挡，观测距离受到限制等。三维激光扫描技术可以有效地弥补传统监测手段的缺点。1三维激光扫描技术1.1基本原理三维激光扫描仪是一种能够快速、精确、全面地获取物体或场景的三维空间信息的设备。它通过发射和接收激光脉冲，测量目标点与扫描仪之间的距离和角度，从而生成大量的三维坐标点，即点云数据。点云数据可以用于浏览、分析、重建、建模、仿真等多种应用领域，其工作原理如下。扫描仪内部的激光发射器发射一束激光脉冲信号，照射到被测物表面，被测物表面会对激光脉冲信号进行漫反射，即将激光散射到各个方向；激光接收器会捕捉到从被测物表面反射回来的激光脉冲信号；扫描仪内部的机载计算机会根据目标点与扫描仪中心的距离s、激光脉冲信号的横向扫描角度、激光脉冲信号的纵向扫描角度三个数据来计算目标点的三维坐标，如图 1 所示。图1扫描点坐标计算原理三维激光扫描仪通过不断地发射和接收激光脉冲信号，并计算出每个目标点的三维坐标（式 1），就可以生成一个由大量点云数据组成的三维模型。（1）1.2工作流程三维激光扫描技术的工作流程主要包括以下步骤（见图 2）。2024 年第 2 期139中国高新科技TECHNOLOGY APPLICATION|技术应用图2三维激光扫描技术工作流程（1）技术准备。在进行三维激光扫描之前，需要对被测物体或场景进行技术分析和评估，确定扫描目的、要求、范围、方法、参数、设备、控制点等，制定合理的扫描方案和预算。（2）控制测量。为保证点云数据的精度和一致性，需要在扫描区域内布设足够数量和分布的控制点或标志物，用于后期的数据配准和校正。控制点或标志物可以是人工设置的圆形或方形靶标，也可以是自然存在的特征点，如角点、边缘等。控制点或标志物的坐标可以用全站仪、GPS 或其他测量手段获取。（3）数据采集。根据扫描方案，选择合适的扫描仪和参数，对被测物体或场景进行三维激光扫描。由于单个站点无法覆盖整个扫描区域，需要在不同位置设置多个站点，以获取完整的点云数据。每个站点的扫描时间和数据量取决于扫描仪的性能和参数设置。扫描过程中，需要注意避免遮挡、反射、移动等因素影响数据质量。（4）数据处理。将采集到的原始点云数据导入到专业的三维激光扫描软件中，不同站点的点云数据按照相同的坐标系进行对齐和拼接，形成一个完整的点云数据集。数据配准可以基于控制点或标志物，也可以基于特征匹配和迭代最近点（ICP）算法。数据去噪，剔除点云数据中的噪声和异常点，如空气中的尘埃、水滴、杂物等。数据降采样可以基于网格化、随机抽样、体素化等方法，通过合并或删除一定范围内的多余或冗余的点。数据校正，根据控制测量结果，对点云数据进行精度校正和坐标转换，使其符合实际尺寸和指定坐标系。（5）成果制作。根据不同的应用需求，对处理后的点云数据进行分析，生成所需的成果。2三维激光扫描技术在滑坡勘查中的应用2.1工程概况滑坡监测的目标区域是位于四川省阿坝藏族羌族自治州一处岩质滑坡，该滑坡体总体呈东南向倾斜，滑动面陡峭，滑坡体长度约 500m，宽度约 200m，高差约 300m，滑坡体表面覆盖着大量的岩石碎屑和植被。该滑坡对周边的安全和环境造成了严重威胁，需要进行定期的监测和评估。2.2数据处理与建模本文采用的三维激光扫描仪为 Leica ScanStation P40，是一款高性能的地面三维激光扫描系统，其主要参数如表1所示。由于每个站点只能扫描到滑坡体表面的部分区域，需要将 4 个站点的点云数据拼接成一个完整的点云数据集，采用基于特征匹配和迭代最近点（ICP）算法的方法，通过寻找不同站点之间的公共特征点，并最小化其位置误差，实现了点云数据的自动拼接。扫描过程中可能存在噪声、遮挡、反射等因素，导致点云数据中存在一些异常或冗余的点，采用基于统计分析和半径邻域的方法，通过计算每个点与其邻域内其他点之间的距离，并剔除超过平均距离一定倍数或小于一定半径内最小邻居数目的点，实现了点云数据的去噪和降采样。建立了图 3 所示的点云数据模型。图3三维扫描点云数据模型2.3监测精度分析为了分析滑坡体表面的变形情况，需将多期观测的点云数据进行差分，以得到每个点的位移量和位移方向。基于最近邻距离和法向量的方法，通过计算每个点在不同期数之间的最近邻距离和法向量夹角，并根据一定的公式，计算出每个点的位移量和位移方向。同时在变形区域内平均布置了 4 个观测点，使用全站仪进行观测，以验证三维激光扫描技术监测滑坡变形的精度，结果如表 2 所示。由表 2 可以看出，三维激光监测与传统的全站仪监测结果基本吻合，变形量级和规律较为一致，平均误差 3.3cm，能够满足工程需求。基于此，建立滑坡灾害风险监测和预警系统，并进行滑坡稳定性分析。（下转第142页）表1三维激光扫描仪主要参数项目参数项目参数测量范围0.4270m测量精度3mm测量速度最高100万个点/s视场角水平360，垂直270激光波长532nm（绿色）激光功率最高4W重量12.25kg尺寸240mm200mm390mm 2024 年第 2 期142中国高新科技技术应用|TECHNOLOGY APPLICATION衰减和散射的射线信号，并将信号传递给计算机进行处理和分析。射线无损检测技术的优点是可以对被测体进行非接触式的检测和评估，能够检测到微小的缺陷，具有高精度、快速、全面和准确等特点。同时，射线无损检测技术还可通过调整射线的能量和强度来适应不同材料和结构的检测需求。射线无损检测技术的缺点是需要对射线的辐射和安全问题进行特别的注意和管理。射线具有一定的辐射危害，因此，在使用射线无损检测技术时需要严格遵守相关的安全规范和操作规程。此外，射线无损检测技术还需要特殊的设备和专业技术人员，需要投入较高的经济成本和人力成本。2.6磁记忆无损检测技术磁记忆无损检测技术是一种基于磁学原理的无损检测技术，可用于检测压力容器和压力管道中的内部缺陷和应力集中区域。磁记忆无损检测技术的原理是利用磁性材料的自发磁化性质和磁场变化的特征来检测材料内部的缺陷和应力。在磁记忆无损检测技术中，磁性传感器被固定在被测物表面，将磁场导入被测物内部。如果被测物存在缺陷或应力集中区域，这些区域将对磁场的分布和强度产生影响。磁传感器可以检测到这些磁场变化，并将信号传递给计算机进行处理和分析。根据信号的强度、分布和变化，可以判断被测物内部的缺陷和应力情况。磁记忆无损检测技术具有高效、准确、可靠、无损、非接触和在线检测等特点。与其他无损检测技术相比，它能够检测到更小的缺陷和更广泛的应力集中区域，且不受材料厚度和形状的限制。此外，它还可以在压力容器和压力管道运行期间进行在线检测，避免了停机维修和安全隐患。然而，磁记忆无损检测技术也存在一些限制和不足。它只适用于磁性材料的检测，无法应用于非磁性材料。由于信号的处理和分析需要较高的计算机处理能力和专业技术人员的支持，因此需要投入较高的人力、物力和技术成本。由于该技术还处于发展阶段，对于实际应用中的复杂环境和工程问题还需进一步研究和验证。3结语综上所述，工业技术的不断发展，无损检测技术在压力容器和压力管道的安全管理和维护中扮演着越来越重要的角色。超声波、射线、磁记忆等无损检测技术各具特色，在不同场合下都有其独特的应用。虽然磁记忆无损检测技术还存在一些限制和不足，但随着技术的不断进步和应用的推广，相信它在未来能够得到更广泛的应用和发展。作者简介：李阳（1992-），男，山东菏泽人，菏泽市特种设备协会高级工程师，研究方向：特种设备制造、检验。参考文献1 陈灿春，洪若云，刘鹏程，等.渗透检测在压力容器、管道无损检测中的应用 J.化工生产与技术，2022，28（4）：41-42，10.2 郝斌.在用压力容器、压力管道焊缝射线检测技术的优化 J.焊接技术，2016，45（8）：90-92.3 李伟，邵鑫宇，张伯莹，等.交流电磁场和电磁超声复合无损检测技术研究 J.机械工程学报，2022，58（16）：153-159.（责任编辑：肖央然）表2三维激光监测与全站仪监测变形量对比监测点变形值（cm）误差（cm）三维激光监测全站仪监测BX-123194BX-228324BX-337352BX-432293平均误差3.33结语本文介绍了三维激光扫描技术的基本原理、工作流程和数据处理方法，并将其应用于四川省阿坝州一处岩质滑坡的监测中，通过与传统的全站仪监测方法进行对比，验证了三维激光扫描技术监测滑坡变形的精度和可行性。三维激光扫描技术具有快速、全面、高效、灵活等优点，能够获取滑坡体表面的整体变化信息，为滑坡灾害风险评估和防治提供了新的技术手段。作者简介：陈宇（1987-），男，四川合江人，四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队高级工程师，研究方向：水文地质、工程地质与环境地质。参考文献1 徐进军，王海城，罗喻真，等.基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理 J.岩土力学，2010，31（7）：2188-2191，2196.2 刘锦程.三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究 D.西安：长安大学，2012.3 许光辉，郝伟涛.三维激光扫描技术在地质测绘中的应用研究 J.价值工程，2023，42（17）：94-96.4 董秀军.三维空间影像技术在地质工程中的综合应用研究 D.成都：成都理工大学，2015.（责任编辑：肖央然）（上接第139页）