广东省地质测绘院 广州 510800
摘要：三维激光扫描测量技术，是目前国际上最先进、最前沿的获取地面空间三维数据的测量技术之一。三维激光扫描技术应用于滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害监测，具有速度快、精度高、主动性强、实时显示监测体变化等优点，同时可以极大地降低监测成本。本文针对三维激光扫描技术应用于高边坡监测的实例进行研究，分析应用于边坡监测的测量方法的精度和可靠性。结果表明，三维激光扫描测量技术在地质灾害监测中将具有广泛的应用前景。
关键词：三维激光扫描仪；地质灾害；监测
Application of three-dimensional laser scanning measurement technology in monitoring and control of geological hazards
Yuexia Nie，Ping Li，Shengfeng Tang
（Guangdong Geological Surveying and Mapping Institute，Guangzhou，510800）
Abstract：Three-dimensional（3D）laser scanning measurement technology is one of the most advanced and most cutting-edge measurement technologies in the world to obtain 3D data of ground space.3D laser scanning technology is applied to the monitoring of geological disasters，such as landslide，debris flow and land subsidence.It has the advantages of fast speed，high accuracy，strong initiative，real-time display of monitoring volume changes，and can greatly reduce the monitoring cost.In this paper，the application of 3D laser scanning technology to high slope monitoring is studied，and the accuracy and reliability of this measurement technology are analyzed.The results show that 3D laser scanning measurement technology has a wide application prospect in geological hazard monitoring.
Keywords：Three-dimensional laser scanner；geological disaster；monitoring
1 引言
广东地处我国南部沿海，受热带风暴（台风）、强降雨、强风力等恶劣气候现象影像强烈，而且广东地貌类型复杂，地形地貌起伏大，丘陵山地占全省陆地面积60%以上，地质构造复杂，地质环境相当脆弱，加之高强度的人类工程活动决定了广东地质灾害多发性、广泛分布性和严重性，地质灾害隐患点呈现点多面广、易发、频发的特点，缺乏有效的监测防御手段，给当地人民群众生命财产安全造成严重损失。地质灾害已经成为制约我省经济和社会发展的重要因素之一。
我省的地质灾害种类主要有滑坡、崩塌、地面塌陷、地面沉降和泥石流等，特别是人类工程活动日益频繁，如铁路和公路建设、城市建设、经济开发区建设、农村依山建房、开挖矿山隧道等工程，由于缺乏整体规划和合理选址，防治措施不力，无序开发等等都会引发地质灾害发生，在一定时期内地质灾害的发生仍然存在上升趋势。相比之下虽然政府和群众的防范意识有所提升，也出台了许多防治措施，加强了监督管理，取得了较好成绩。但总体上来讲，工作程度较低，防治率低，监测方法手段不够先进科学，不能满足经济和社会发展对地质灾害防治的需求。规划、监测地质灾害，一直以来我国是个多山的国家，近年来山体滑坡事故频发，对国家及社会造成重大影响，为保护人民生命和财产安全，需对地质不良山体进行滑坡监测。早期的滑坡监测主要依靠人工进行，通过多种测量手段综合获得监测点的水平、垂直位移量及变形速率，为接触式单点监测，无法对未设置监测点的地点进行监测，且一旦发生滑坡地质灾害，监测设备均遭到毁坏，已无法满足新时期社会发展的要求，迫切需要引入新的技术方法和手段。
三维激光扫描测量技术近年发展很快，克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。利用扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，能够快速、连续、自动地获取高精度、高密度的三维数据，获得精细三维模型，特别适合用于地质灾害体的监测，通过对潜在发生地质灾害的区域进行连续测量可以及时获取该区域发生地质灾害体发生变化的动态情形，通过分析判断灾害发生的趋势，为防控作出预测预警。
2 三维激光扫描测量原理
2.1 技术原理
三维激光扫描仪利用激光测距的原理，是可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，自动存储并计算，获得点云数据。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号（图1），经目标物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算激光点P与扫描仪距离S，同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量可以为仪器自定义坐标系，也可以通过标靶点A、B的坐标匹配到P点上。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标（图2）。得到目标实体的采样点的集合，称之为“点云”。通过面状的“点云”坐标，即可描述物体面状的形态及其变化特征。
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图1 扫描原理 图2 扫描坐标系
激光点P的坐标为：
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（1）
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（2）
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（3）
式中：S是通过激光从发射到接收之间的传播时间来计算获得的。假设t为发射脉冲往返时间，目标点P与扫描仪的距离S为：
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（4）
其中，C为光速。
2.2 工作流程
三维激光扫描作业主要包括现场踏勘、方案设计、监测区控制网布设、外业数据采集、内业数据处理和数据分析等几个步骤，具体流程详见图3。
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图3 技术流程图
3 应用实例
根据我省地质灾害点的分布情况主要以粤东、西、北较为显著，分散于山区或城镇外围，监测的具体方法应结合实地地形情况设定。项目组选定某地高边坡，进行试验研究。该边坡高约30米，宽约120米，已经完成边坡治理工程。为了保证边坡的稳定性主管部门要求每月对边坡监测一次。目前已监测两次，边坡的监测变化量保持稳定。
3.1 监测准备
（1）设备准备：徕卡ScanStation 2三维激光扫描仪一台，徕卡GNSS接收机一套（RTK1+1），徕卡2"全站仪一台，徕卡CYCLONE软件一套。
（2）成果资料准备：现场高等级控制点，GDCORS系统。如果采用独立坐标系则不需要建立起始数据。
3.2 外业观测
通过GDCORS系统利用GNSS接收机RTK测量方式布测4个控制点，采用一级点精度要求，获取控制点坐标及高程值。然后在控制点上设置三维激光扫描仪，每次观测设置四个测站，标靶点的放置根据观测环境任意选址，并用全站仪极坐标法测量方法求取标靶点坐标。激光点间隔采用0.3cm×0.3cm和2cm×2cm的密度分别进行扫描监测。现场边坡情况见图4。利用标靶点把四个测站扫描的边坡“点云”拼接在一起，得出边坡模型，边坡点云见图5。根据要求30天为一个观测周期，每次均在相同的控制点上安置仪器进行扫描测量。
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图4 边坡实景图 图5 三维点云图
3.3 数据处理
将外业扫描的数据进行拼接形成完整的边坡点云数据，处理是通过计算机软件自动处理，每次分别建立边坡模型。根据不同时间观测的边坡模型，即可在现场计算出边坡的形状变化，对边坡变化趋势做出预测与预警预报。
3.4 精度分析
三维激光扫描测量误差主要来源是：距离、水平扫描角度、竖直扫描角度及拼接误差。外业通过全站仪测量坐标与转换后标靶目标坐标进行比对来检验其质量情况。现场实测了11个坐标点，水平与高程相差最大2.54mm，最小0.37mm。由此可得三维激光扫描数据精度可达3mm以上，具有较高的精度。完全满足变形监测的要求。
4 结语
三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一，特别对于测绘领域来说，伴随三维激光扫描技术的不断完善与发展，三维扫描技术与经典测量技术相互融合，能够更好地发挥它的优势。利用三维激光扫描技术开展地质灾害监测，能够提高监测的精度，而且工作效率高，实现了实时的面状直接观测，实时显示监测体变化，具有准确、快速、实时等特点，由于三维激光扫描是非接触测量，尤其适合地质灾害抢险应急监测，可以满足在不同环境和状态下开展工作，其应用前景非常广泛。
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作者简介：
聂月霞，（1981.6-），女，工程师，本科，主要从事工程测量、房产测绘及质量检查工作。
李平，（1970.4-），男，工程师，本科，主要从事3S技术应用及质量检查。
唐升峰，（1982.4-），男，高级工程师，本科，主要从事3S技术应用及质量检查工作。