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TLS 在应急测绘滑坡几何特征快速提取中的应用研究
摘要：滑坡灾害是危险性和破坏力均非常严重的地面灾害之一。滑坡发生后如何快速、高效和高精度地获取滑坡体的几何特征数据是滑坡应急处置重要的测绘保障工作内容。论文应用地面三维激光扫描仪(TLS)进行了快速获取滑坡区域数据和几何特征提取的科学研究试验。
通过ILRIS_36D 地面三维激光扫描仪和PolyWorks 软件获取和处理数据，提取了滑坡几何特征，数据可供相关部门对滑坡灾害进行快速科学处置。该方法速度快、精度高、信息全，与常规测量方式相比具有多方面的优势，对矿山安全生产和测绘应急保障工作具有重要意义和应用价值。
关键词：地面三维激光扫描仪;扫描方案设计;精度分析;滑坡几何特征
引言
滑坡是在一定自然条件下的斜坡，由于河流冲刷、人工切坡、地下水活动和地震等影响，部分岩体或土体在重力作用下，沿坡体内一定的软弱面或带，整体、缓慢、间歇性滑动，以水平位移为主的变形现象[4]。滑坡，无论是单独发生，或是伴随着地震、火山喷发、暴雨发生，都是世界上造成人员伤亡、财产损失的主要灾害之一[6]。论文针对某矿出现的突发性边坡滑坡，应用TLS 快速获取灾害区域数据，及时分析滑坡灾害几何特征，为相关部门处理和布置工作提供了重要依据。
地面三维激光扫描测量技术作为空间数据获取的一种新的测绘技术手段，可以自动、连续、快速的采集数据，拥有快速性、不接触性、穿透性、实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化等特点。常规测量方法如GPS、全站仪等，需要在扫描区域布点立标杆或安装棱镜，测量速度慢，在边坡滑坡或变形区域布点也不安全，常规测量方法同时也是单点测量，获取用于整体分析的大规模区域连续数据较困难。而地面三维激光扫描测量技术可快速、安全获取高密度点云数据，适用于矿山边坡突发性灾害应急处理。
三维激光扫描技术作为一种新兴的测绘技术，己成为一种先进的集成测量方法，该技术不仅具有许多新的特性和功能，同时又具有极好的发展前景和很强的竞争力[5]。
1、 3D 激光扫描仪简介
地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其他附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。
利用三维激光扫描技术，可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、计量、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。采集的三维点云数据及三维建模结果可以进行标准格式转换，输出为其他工程软件能识别处理的文件格式[7]。
地面三维激光扫描仪的种类比较多，性能各异，相应的数据处理软件也不尽相同，但扫描方式和数据处理过程总的来说相似。在某矿山滑坡扫描中，使用的是加拿大Optech 公司生产的ILRIS-36D 三维激光扫描仪，如图2 所示，三维激光扫描数据处理使用PolyWorks软件。
2 、扫描处理方案设计
为了快速获取滑坡区域数据，根据ILRIS-36D 三维激光扫描仪特点和点云数据后处理软件PolyWorks 对点云数据由扫描坐标转换成当地坐标的两种不同的方法，对某矿山边坡滑坡扫描设计如下两种方案：
(1)第一种方案是采用三维激光扫描仪、全站仪和GPS 协同作业的测量方式。由GPS获取全站仪测站点和后视点的三维坐标，再由全站仪对均匀分布于扫描区域的标靶参考点进行观测获取坐标，最后使用三维激光扫描仪获取滑坡区域点云数据。
(2)第二种方案是采用三维激光扫描仪和GPS 联合作业的测量方式。三维激光扫描仪对目标实行三站或三站以上扫描，每站扫描之间应有一定的重合度，同时由安装在扫描仪顶部的GPS，通过GPS 解算软件，获取扫描仪测站点的当地坐标，作为参考点，然后对数据进行分析处理[1]。
3 、精度分析
3.1 影响地面三维激光扫描精度因素分析
3.1.1 ILRIS-36D 扫描仪固有误差仪器轴系之间的相互旋转会引起测距和测角误差;扫描系统通过旋转的镜面来发射激光束到目标实体的表面，镜面的旋转会引起测距误差;在扫描系统提供的各种外置设备，如数码相机等，仪器之间的连接等以上所有因素，最终会导致点云数据的精度降低[3]。仪器误差导致仪器的角度测量精度、距离测量精度、分辨率、激光光斑等产生影响，如ILRIS-36D 扫描仪标称的精度：距离精度 7mm@100m，定位精度 8mm@100m。
3.1.2 被测物体反射表面几何特性被测物体的倾斜程度，被测物体反射表面粗糙程度以及被测物体材质和颜色等几何特性等方面的因素，会给边坡扫描带来误差[3]。
3.1.3 温度、气压等外界环境条件影响ILRIS-36D 扫描仪要在一定的温度、气压等范围内才可以进行扫描工作。超出这个范围，将引起系统性的误差[2]，ILRIS-36D 扫描仪工作温度在0 度-40 度。
3.2 误差分析用静态 GPS 获取三个标靶参考点的坐标，将其转换成当地坐标后，分别计算两点之间的距离，再用PolyWorks 软件计算扫描数据中对应点距离，每对点之间距离至少计算三次以上，并求取均值，与GPS 处理软件解算所求各点坐标之间距离作差.
4 、滑坡特征分析
为了全面了解某矿山滑坡几何特征和灾害影响范围，将利用三维激光扫描仪这一新技术手段，配合PolyWorks 软件，从以下多个角度对滑坡进行处理分析。
4.1 滑坡几何特征提取和量算三维激光扫描仪获取的某矿山滑坡灾害区域数据，通过PolyWorks 软件进行去噪、简化及坐标转换等处理后，再分析滑坡几何特征，图4 为PolyWorks 软件处理后的数据，处理过程中，将拍摄的照片纹理映射到点云数据，使数据看起来更直观，红线标绘为滑坡周界，滑坡呈长条状，中间略宽。
滑坡区域呈倾斜长条状，总长度为125m 左右，宽度最宽为94m 左右，上方宽度略窄，约49m 左右，最下方宽度约82m，滑坡面积约为9920m2，滑坡影响的范围较大。
4.2 滑坡体规模
在 PolyWorks 软件中，先选择要计算的滑坡区域，如图6 所示，点云数据上红色表示的是要计算滑坡体体积的区域，然后使用“Measure”菜单下的“Surface-to-Plane Volume”功能，计算滑坡土方量，如图7 所示，图中潜绿色为一平面恰好覆盖滑坡区域，黄色为平面到下方滑坡区域的投影描述，计算得到的体积为三者(截取的滑坡区域、潜绿色平面和黄色投影描述)所包围的空间区域。
根据滑坡体体积，将滑坡分为4 个等级：①小型滑坡：滑坡体积小于10×104m3;②中型滑坡;滑坡体积为10×104-100×104 m3;③大型滑坡：滑坡体积为100×104-1000×104m3;④特大型滑坡(巨型滑坡)：滑坡体体积大于1000×104 m4.3 滑坡区域地形纵剖面线地形剖面线是指地形表面与某一剖面相交所截的曲线。在PolyWorks 软件中，剖面线即断面线，可通过IMInspect 模块中创建断面线“Create Cross-Section”实现，等高线也是断面线的一种。
应用 PolyWorks 软件制作滑坡区域剖面线，如图8 所示，为滑坡区域一条纵剖面线。图9 所示，为滑坡区域多条剖面线，剖面线间距为5m。该区域边坡滑坡后，导致台阶状边坡阶梯变的不规则。当然，在 PolyWorks 软件中，也可制作水平剖面图、横剖面图和斜剖面图等。
4.4 滑坡体垂直方向基本形态分析边坡在未滑坡之前是规则阶梯状的，为了便于估计分析边坡滑坡后的形变情况，假设其为无阶梯状的斜坡。在PolyWorks 软件中，可分析滑移体在垂直方向上的隆起和下沉情况，如图10 所示，滑移体厚度约7m，由右侧图例知，深绿色为分界点，滑移体隆起到原边坡以上的最大值约3.5m，下沉到原边坡以下的最大值约4m。
5 、结论
三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一条新的研究方向，其出现与发展是“继GPS 空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的研究内容、方法进入新的发展阶段”[2]。
将 ILRIS_36D 地面三维激光扫描仪应用于矿山边坡滑坡应急处理，可快速获取滑坡灾害区域数据，通过PolyWorks 软件处理数据，从多个角度分析滑坡灾害，及时给出滑坡灾害各方面几何特征，为相关部门分析滑坡成因，快速决策处理和布置工作提供重要依据，减少灾害带来的经济损失，与常规测量方法相比，具有大规模获取连续数据、速度快、安全系数高等优势。地面三维激光扫描技术也可用在建筑物形变监测、煤矿煤堆体积计算等方面，在矿山监控测量和应急测绘领域中具有广泛的应用前景。
[参考文献] (References)
[1] 陈永剑.地面三维激光扫描系统在矿山监测的应用研究[D].太原：太原理工大学，2009.
[2] 董秀军.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25(2)：3630-3635.
[3] 施贵刚.扫描数据处理技术及作业方法的研究[D].上海：同济大学，2009.
[4] 王恭先.滑坡防治100 例[M].北京：人民交通出版社，2008.
[5] 杨伟.地面三维激光扫描数据处理与分析[D].上海：同济大学，2004.
[6] 张悼元.世界滑坡目录工作组建议的滑坡术语[J].地质灾害与环境保护，1995，6(1)：1-6.
[7] 张舒.三维激光扫描仪在沉陷监测中应用的若干问题探讨[C].第七届全国矿山测量学术会议，2007.
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