三维激光扫描技术在磨西台地地质灾害勘察中的应用研究.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43 Suppl.No.1Aug.,2023三维激光扫描技术在磨西台地地质灾害勘察中的应用研究谭春洋，代新雲（四川省第十一地质大队，四川达州6 350 0 0）摘要：磨西台地西部岸坡缓、高差大，东部岸坡陡峭狭窄，受地质构造、地形地貌、雨水侵蚀、风化以及地震的影响，磨西台地东部岸坡滑坡地质灾害频发。为了安全、高效、精准、全方位获取滑坡地质灾害勘察的基础数据，运用定性和定量结合研究科学地学推进地质灾害勘察治理；通过采用三维激光扫描技术非接触主动测量方式直接获取磨西台地东部岸区某滑坡的高精度点云数据，得到勘察区的三维点云模型，通过进一步处理分析，对地滑坡体的形图、剖面图、结构产状、特征体测量数据等关键要素进行精准识别和快速提取分析，极大地节约时间和降低损失，为后续滑坡地质灾害勘察治理设计提供强有力的支撑数据。关键词：磨西台地；地质灾害勘察；三维激光扫描中图分类号：P694DOI:10.3969/jissn.1006-0995.2023.S1.028近年来，受地震、地质构造、地形地貌、强降雨以及风化的影响，我国自然灾害频发，滑坡、泥石流等地质灾害经常发生（李彩侠和马煜，2 0 2 3）。磨西台东部岸坡陡峭狭窄，该区域的地质灾害点多高陡险峻，次生灾害随时发生，对于这类型地质灾害应用传统的地质调查方法不仅费时、费力并具有较高危险性，而且很难得到较为准确的结果。快速、准确的获得类似地质灾害的三维地理信息以及相关特征参数对于其灾后地质勘察治理显得尤为重要。三维激光扫描技术是近年来发展起来的新技术，它又称“实景复制技术”，可以安全、快速、高分辨率、高精度、非接触式的地重建扫描实物及获取物体表面的空间三维坐标信息数据（陈炯安，2 0 2 2）。由于地质体性状的客观复杂性（郭肖红等，2 0 2 1），其地质复杂地区环境脆弱，易发生地质灾害（李源亮等，2 0 2 0），人们对地质体的调查、研究以获取准确的评价结果向来都是一个难题。三维激光扫描技术能够深人到复杂的环境中去，获取扫描目标的表面三维点云数据，凭借其技术优势可以高效率的获取大密度的点云数据（王二民，2 0 19），对其进行适当的处理、分析、解译，便可获取所包含的重要信息数据。对于地质灾害勘察而言，这些数据中包含着大量地质信息，比如结构面空间分布特征信息、地形变化信息、地质体几何尺寸信息等，这些数据信息都是地质调查工作需进行深入研究的，是地质勘察工作所要求获取的重要资料。本文通过该项技术在磨西台地东部岸区某滑坡地质灾害应用研究，阐述其快速、准确、多方位的获取滑坡地质灾害的几何特征信息采集（罗婷婷等，2 0 2 1），基于这些信息来进行滑坡体综合评价，为后续的地质灾害防治工作提供准确的勘察资料。文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）S1-0145-05川区7021研究区概况磨西台地是在新兴乡与磨西镇之间形成长达10.7 km，宽1 2 km，由砂砾岩，巨石块组成，高大12 0 m左右的台地，其海拔在150 0 2 0 0 0 m（郑本兴，2 0 0 1），磨西台地岸坡坡度值58 1，西部岸坡缓、高差大，东部岸坡陡峭狭窄。2 0 2 2 年9月收稿日期：2 0 2 3-0 5-31作者简介：谭春洋（198 4一），男，四川岳池人，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质及地质灾害防治等方面的研究。推积物图1滑坡地形地貌图145表1滑坡分区表三维激光扫描技术在磨西台地地质灾害勘察中的应用研究5日12 时52 分，在四川甘孜州泸定县发生6.8 级地震，震源深度16 km，震中位于北纬2 9.59，东经102.08。磨西镇大杉树村海螺沟大道“平安”农贸市场一带台地边缘局部发生滑塌，滑坡区位于磨西台地东侧边缘，整体地形呈典型的台地式，即顶部为平台东侧边缘，坡脚为雅家河床，整体坡度较陡，呈上陡下缓之势，上部平均坡度6 6，最大达8 1。下部堆积物坡度约32，上部已形成陡崖地貌。区内最高海拔标高为156 2.2 5m，位于农贸市场北侧电线塔附近，最低海拔147 1.7 7 m，为下游雅家河河床，最大相对高差约90 m，一般高差约8 0 m，研究区滑坡地形地貌图见图1从滑坡区地形坡度、坡面形态、堆积体分布、威胁对象等几个因素，将滑坡细分为I区、区、区共3个区域。编号地形坡度上陡下缓，均发育植被灌木，上部地形坡度7 0 8 0，上部陡壁1区高差在2 0 40 m。下部堆积体坡度3040上部坡度在51 6 3，且发育I区植被灌木，上部陡壁高差在50 65m。下部约8 0 地形坡度在7 0 7 8 之间，陡I区壁土体裸露，高差在6 0 7 0 m，并以7 0 m左右的高陡边坡为主。2三维激光扫描技术2.1 原理大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法（基于激光时间漂移原理），采用无接触式高速激光测量，以点云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据（邓小龙和李丽慧，2 0 17）。其获取扫描目标点云坐标原理为：根据内部精密的测量系统获取发射出去的激光光束的水平方向角度和垂直方向角度；由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值S（图2）；从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样的是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪描方向，Z轴为垂向方向（舒飞等，2 0 15）。由此，可得扫描目标点P的坐标（Xs、Ys、Zs）的计算公式：2.2滑坡数据获取在滑坡地质灾害的治理中，地质情况的分析越准确，灾害治理的安全性便越高，综合治理效果也越好。三维激光扫描技术能够迅速的进行数据采集和处理，从而将区域面貌进行复原，这对于地质灾害的抢险救援工作帮助巨大，所以在现阶段的滑坡地质灾害治理中，此技术的应用程度在普遍性的加深（陈凯，2 0 18）。为快速获取滑坡区的三维点云数据，采用OptechPolaris三维激光扫描仪对滑坡体进行数据测量和收集，本次研究三维激光扫描设置扫描站4处，每个扫描站扫描时间约10 min，通过扫描测量得到的数据构建滑坡体数字模型，使得地质人员可以摘室内对危害体、滑坡体、崩塌体等进行三维里面分析。该仪器具有非接触性测量的特点，在工作中可提供2 0 0 0 m扫描测程，垂直角12 0，水平角36 0，达到4mm高精度扫描效果，并具有高清影像仪的功能。146坡面形态台阶状坡体起伏，坡堆积体厚度小，规模小，一般在512面局部发育m，后缘厚度大，前缘较薄，堆积体与凹腔基底的界线成直立的折线坡体上下较顺堆积体厚度较大，规模大，一般在15直，整体略呈20m，后缘厚度大，前缘较薄，堆积体凹型与基底的界线成直立的折线Z个Y图2 扫描点云坐标计算X,=S cos O cos aY,=ScossinoZ,=Ssine堆积体特征堆积体上薄下厚，一般厚度在15m左右，堆积体与基底的界线形态多成坡折线型、弧型，总体较缓威胁对象周先美等居民房屋农贸市场部分摊位于滑坡位及院坝中部滑坡左侧的早地位于滑坡及农贸市场北侧左侧废弃库房P(Xs,Ys,Zs)SX备注位于滑坡右侧2023年8 月第43卷增刊第1期3数据处理四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023三维激光扫描资料处理主要包括：数据配准、数据拼接、数据预处理、数据筛选、数据去噪等（马福贵等，2 0 17）。对于激光扫描获得的点云数据都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系，每次经扫描而得到的点云数据的坐标系独立和不相关联的，利用现场测得的标志点坐标对拼接好的点云数据进行坐标转换，以使扫描得到的点云数据与现实场景的方位、位置完全一致。图3为经过数据处理后得到的滑坡区的三维点云模型图。图3滑坡区三维点云模型图3.1滑坡体测量研究区滑坡平面形态整体呈近“二”型沿台地左侧岸坡展布，滑坡后缘以台地边缘拉张裂缝走向为界，左侧以突出的坡脊转折点为界（图4）；右侧以负地形的凹腔冲沟为界（图5）。根据滑坡区三维点云图进行滑坡体的特征值测量计算，结合现场勘察得到：滑坡滑动方向57 6 5，滑坡体横向宽平均约2 90 m，纵向上两侧窄，中间稍长，斜长15 45m，均长约30 m，整个滑坡面积约0.8710m，滑坡体厚预估为10 m，滑坡总方量约8.7 10 m，属小型滑坡。由于滑坡所处区域距离震中较近，坡体内发生2 处滑现象，HT01、H T 0 2，利用三维激光扫描技术测量得其规模。HTO1位于滑坡中部边坡中下段，规模为较小：长2 8 m，宽2 0 m，均厚预估为3m，滑塌方量16 8 0 m；H T 0 2 滑规模较大：长12 0 m，宽12 m，均厚5m，滑塌方量7 2 0 0 m。图4坡脊转折点影像图及三维点云图图5凹腔冲沟处影像图及三维点云图147三维激光扫描技术在磨西台地地质灾害勘察中的应用研究坡面孤石孤石点云模型3.2立面图提取滑坡区陡壁中下部，为漂石土，偶夹大漂砾石，根据三维激光扫描成果可以测量得到大漂石尺寸，统计得知大漂石以粒径0.6 1.0 m为代表者，偶夹2 m左右大漂石。以三维激光扫描成果为基础，绘制出滑坡体坡面的大孤石立面图，如图6。3.3地质剖面提取对获取的三维点云数据，利用TrimbleRealWorks软件，进行剖面提取工作。图7 为提取的特征剖面图，图8为以此为基础绘制的工程地质剖面图，通过跟原实测地质剖面及现场调查进行对比，利用三维激光扫描技术生成的面准确清晰，更加符合现场实际情况，对于一些细微地方的反映也能直观的表示出来。3.4特征参数提取特征参数是地质调查的一个重要内容，包括节理、裂缝、地层产状等。研究区在地震时在滑坡后缘形成了拉张裂缝，主要发育有4条，编号LF1LF4。通过对研究区三维激光扫描获取的点云数据结合现场地质调查来获取需要的滑坡裂缝特征参数，其中裂缝长度16 2 6 m长度不等，裂缝张开宽度约0.0 5 0.15m，下挫高差约0.5 1cm，距离台顶边缘距离2 2 0 m不等。对于特征不明显、规模小、产状有变化的结构面，需要参考现场调查、现场照片等来判断结构面产状特征。图9为应用三维激光扫描技术在磨西台地滑坡地质灾害高程(m)治理工程勘察中的应用成果图，由图可知，利用三维激光扫15241522描技术提取的工程地质剖面可以准确、清晰的反映高位滑坡15201518范围内的大孤石、负地形、堆积体范围等地质要素，结合三1516维激光扫描成果对地质体几何特征信息采集和现场的其它勘15141512察技术手段，来进行滑坡体综合评价，能够更好地为地质灾1510害防治工作提供地质依据。1508150615044结论1502间距（m）标高（m)1513.6利用三维激光扫描技术，结合后处理软件技术，可以快方位（）331.2医例第药系全新城速获得相对精准的地质灾害三维立体模型，通过进一步处理分析，可以全方位获取滑坡地质灾害勘察的基础数据，为后148孤石立面图图6 剖面大孤石立面图图7 特征剖面提取表2 滑坡区裂缝特征参数提取一览表裂缝编号裂缝长度（m）LF0126LF0216LF0319LF0421裂缝宽度（m）0.080.150.050.18高程（n）走向32832133734333725.772Q冰水堆积星图8 工程地质剖面图绘制距台顶边缘距离(m)82025810581524IHT011522界线15201518151615141512151015081506150415021517151.2石士2023年8 月第43卷增刊第1期续滑坡地质灾害的工程治理设计与施工提供必要的地质资料。对于像磨西台地东侧边缘整体坡度较陡的滑坡地质灾害，三维激光扫描技术的应用显得尤为重要。其主要优点体现在：（1）其长距离非接触方式的自动化数据采集模式，使地质灾害调查工作具有“三高”优势-度、高效率、高安全。四川地质学报Vol.43SSuppl.No.1Aug.,2023一高精磨西台地地质灾害勘察地质断面剖面图比例尺水平：50 0 每直1：50 0危险区滑坡范围O15651560155155015451540153513.3015253520151515101505150014951490148S1480标高（m）520.31方位（）高（）总区图例第民系全新统冲洪祝糕第民系全新技单民系更新统冰水堆权屋9块石土潘石土1174.7015661560潜在清动面1551501545TCO11540山探精郎石土夹邸砂母石土夹源娜石大花石高压铁塔149274.315351530152515201515151015061500146145016851480图9滑坡地质灾害治理工程勘察工程地质面图（2）其精确地获得滑坡体的精细化工程地质剖面、分布范围与尺寸、特征参数、典型特征立面图等数据和资料，能够为滑坡地质灾害的分析评价提供新的思路，且其分析结果准确、可靠，为后期治理设计提供理论指导。参考文献：李彩侠，马煜2 0 2 3山区地质灾害时空分布规律及影响因素分析一以四川省马边县为例J地质与资源，32(0 1):10 4-112.陈炯安2 0 2 2.三维激光扫描系统在地质灾害监测中的应用研究J.资源信息与工程，37 0 6):9 8-10 0+10 5.郭肖红，周江，罗敏敏2 0 2 1浅述滑坡地质灾害分析评价中的不确定因素J.勘察科学技术，2 40(0 6):1-5.李源亮，任光明，范荣全，等2 0 2 0 区域地质环境复杂程度评价J四川地质学报，40(0 1):8 6-9 2.王二民：2 0 19.三维激光点云曲面重建技术研究D武汉大学.罗婷婷，徐泮林，隋瑜2 0 2 1基于激光点云的滑坡体三维模型构建J.科学技术创新，（0 8):94-95.郑本兴。2 0 0 1贡嘎山东麓第四纪冰川作用与磨西台地成因探讨J.冰川冻土，（0 3):2 8 3-2 91.邓小龙，李丽慧，2 0 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