楊茂偉,王秀芬,張長龍

(1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2. 山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014)

0 引言

危巖體崩塌是地質(zhì)災(zāi)害的常見形式，對人口密集區(qū)域和工程施工威脅很大，國內(nèi)外許多崩塌案例都造成了巨大的損失，因此需要對其進(jìn)行加固或者清除。危巖體治理工作中設(shè)計至關(guān)重要。它提供的施工工藝、工程量和資金預(yù)算等數(shù)據(jù)，為業(yè)主做項目計劃和資金計劃提供依據(jù)，為施工單位施工實施提供依據(jù)和指導(dǎo)。

當(dāng)前危巖體野外調(diào)查測量多以全站儀、靜態(tài)GPS，RTK等方法來開展工作。但是，由于地形條件的限制，尤其是高陡巖體崩塌，傳統(tǒng)的人工實地接觸式調(diào)查方法很難達(dá)到預(yù)期的效果[1]。此外，設(shè)計中工作量都是估算值，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計工作量與實際工程量相差很大的情況。由于項目方案和資金計劃已經(jīng)審批，造成施工單位利潤降低、業(yè)主追責(zé)等問題出現(xiàn)。

為了解決存在的問題，結(jié)合前人的探索示例，把三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在危巖體清除治理工作中，很好的解決了以上難題。該技術(shù)是在復(fù)雜地形和環(huán)境中以非接觸方式測繪點云數(shù)據(jù)并創(chuàng)建其實景三維模型,從而獲得被測體的空間幾何參數(shù)、地質(zhì)和影像等三維數(shù)據(jù)，為危巖體清除治理設(shè)計提供精準(zhǔn)的各項參數(shù)[2]。

1 國內(nèi)地面三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

單詩涵等[3]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)在四川漢源萬工集鎮(zhèn)“7·27”災(zāi)后泥石流預(yù)測分析與綜合防治的研究中取得了良好的效果；黃姍等[4]結(jié)合具體項目分析了三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)滑坡中的應(yīng)用，成效顯著；汪燕麟等[5]結(jié)合魯?shù)榧t石巖堰塞湖滑坡體測量作業(yè)簡述了如何將該技術(shù)在震后第一時間服務(wù)于災(zāi)區(qū)，對災(zāi)區(qū)大型滑坡區(qū)域進(jìn)行三維重建，精確測量其面積、體積等數(shù)據(jù)，并對其過程處理要點和方法進(jìn)行介紹分析。舒飛等[6]以2013年7月13日四川雅安市天全縣南部某地爆發(fā)特大規(guī)模泥石流地質(zhì)災(zāi)害為例，運用地面三維激光掃描儀獲取此次泥石流滑坡高精度三維影像與點云數(shù)據(jù)，為搶險救災(zāi)和災(zāi)后重建提供數(shù)據(jù)支撐。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來發(fā)展趨勢。

此外，董秀軍、黃潤秋[7]結(jié)合工程實例，闡述應(yīng)用該項技術(shù)解決高陡邊坡調(diào)查中，關(guān)于邊坡快速編錄和巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)測量的原理與方法，由此可以看出該項技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景和價值。周華偉[8]，邱俊玲[9]等都研究了三維掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用及取得豐碩的成果，有極強的指導(dǎo)意義。

2 三維激光掃描儀在藥山危巖體清除治理中的應(yīng)用

2.1 項目概況

藥山位于濟南市天橋區(qū)新洋涓村東，面積約為3km2。北部緊鄰繞城高速和二環(huán)北路，南側(cè)距鐵路1km，東距洛口約4km，西距吳家堡約15km。危巖體災(zāi)害點位于藥山東側(cè)沿線一帶，坡底為新建學(xué)校。治理區(qū)域長度約380m，寬度約180m，約0.06km2[注]山東省地礦工程勘察院，濟南市天橋區(qū)教育局天橋區(qū)藥山東側(cè)危巖體清除治理工程設(shè)計方案，2017年。。

藥山由巖漿巖構(gòu)成，巖性為輝石閃長巖橄欖蘇長巖，含橄蘇長輝長巖、橄欖輝長巖等。形成危巖的主要原因是區(qū)內(nèi)巖石顆粒結(jié)構(gòu)屬于等粒結(jié)構(gòu)，具有塊狀構(gòu)造及多組節(jié)理裂隙，巖石不易溶解，因風(fēng)化致使巖體的完整性與力學(xué)強度降低，特別是表層巖石長期受風(fēng)化、水蝕作用，使得巖石破碎，力學(xué)強度降低，是形成地質(zhì)災(zāi)害隱患的潛在因素[10]。在地震及暴雨等影響下，危巖體可能產(chǎn)生移動，對下方的村民與房屋等產(chǎn)生威脅。為此，當(dāng)?shù)卣畬λ幧介_展了危巖體崩塌地質(zhì)災(zāi)害勘查設(shè)計和治理工作[11]。

藥山危巖體清除治理設(shè)計采用三維激光掃描儀進(jìn)行測量，獲得治理區(qū)域的大數(shù)據(jù)量現(xiàn)狀地形，內(nèi)業(yè)設(shè)計得出詳細(xì)治理方案。

2.2 儀器設(shè)備及軟件

目前，市場主流的三維激光掃描儀性能上各有優(yōu)勢,實際工作中選擇適合項目需要的儀器，項目外業(yè)部分選用具有測程遠(yuǎn)和植被濾除等功能的RIEGLVZ400i掃描儀實施掃描。采集數(shù)據(jù)1天，共掃描6站，每站采集約1300萬點。內(nèi)業(yè)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、拼接、去植被、抽稀、提取、輸出、計算等處理，最終獲得治理范圍內(nèi)的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)。

2.3 作業(yè)方法

由于測區(qū)內(nèi)，地形起伏較大、植被茂密，通視條件和GPS信號均不好。掃描儀架站盡可能選在視野開闊處，整體上覆蓋測區(qū)，局部盲區(qū)單獨設(shè)站得到測區(qū)全面點云數(shù)據(jù)。掃描距離采用長短結(jié)合的方式。

用RTK接入SDCORS來測量標(biāo)靶中心坐標(biāo)。通過后處理軟件導(dǎo)入標(biāo)靶中心坐標(biāo)，直接完成點云測站拼接以及掃描點云坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

新建項目，設(shè)置掃描參數(shù)(掃描距離、掃描速度等)，開啟數(shù)據(jù)采集，獲取周圍地物點云數(shù)據(jù)。掃描中要求相近站點2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接匹配[7]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括：①點云處理：原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入、去除噪聲、數(shù)據(jù)拼接、拼接精度計算、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)輸出；②輸出數(shù)據(jù)處理：去噪、提取線劃圖、線劃圖符號化、地形圖輸出。

2.4.1 點云處理

導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，用RISCAN PRO對其數(shù)據(jù)進(jìn)行特性匹配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接[12]，利用選擇兩幅掃描圖像的公共點(至少3個公共點)或者每站標(biāo)靶點坐標(biāo)進(jìn)行測站拼接[7]，接著軟件計算拼接精度，測站拼接精度0.61cm。然后可利用現(xiàn)場測得的標(biāo)志點(3個)的坐標(biāo)，對拼接好的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使掃描點云數(shù)據(jù)與現(xiàn)實場景的方位、位置完全一致[7]。

按以上步驟操作，得到整個測區(qū)的完整實景三維點云數(shù)據(jù)模型(圖1)。對實景三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行植被過濾操作，得到測區(qū)地面的點云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行地形圖線劃和線劃圖輸出(圖2)。

圖1 整個測區(qū)三維模型

圖2 線劃提取

2.4.2 生成地形圖

將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS9.0軟件進(jìn)行圖符編輯，得到最后的測區(qū)現(xiàn)狀圖和平場標(biāo)高圖(圖3)。

1—疑似危巖體；2—臺階；3—涼亭；4—高程點；5—路燈；6—內(nèi)部道路圖3 測區(qū)地形圖

2.5 成果應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)為項目設(shè)計提供了工作區(qū)任意距離、面積、土石方量和地形斷面等多方面數(shù)據(jù)信息。

(1)三維模型輔助危巖體識別

基于預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行手動任意建模或者智能自動建模，獲得掃描區(qū)域精細(xì)三維模型。然后，再對所建三維模型進(jìn)行真彩色配準(zhǔn)。設(shè)計人員可以對測區(qū)整體設(shè)計和規(guī)劃，通過相關(guān)算法輔助分析和識別危巖體情況，然后對各類危巖體從規(guī)模和滑動形式進(jìn)行分類。通過識別，該工作區(qū)內(nèi)共有8處危巖體(表1)。

表1 崩落計算結(jié)果

(2)為危巖體穩(wěn)定性分析提供參數(shù)，以五號危巖體為例，如圖4所示。

圖4 五號危巖體實景圖

五號危巖體由一組多塊危巖體組成，由原有基巖風(fēng)化開裂形成，并沿地形坡度向北東方向發(fā)展，形狀不規(guī)則。其面積66.4m2，體積55.6m3。北東方向傾靠在下部巖石上，母巖坡面角度約32°。危巖體所在坡面傾向NE6°，坡面角度21°～32°，坡面高差約為39.0m，五號危巖體體積計算如圖5所示。

圖5 五號危巖體體積計算圖

在風(fēng)化、地震及強雷電等外力作用下，危巖體可能失穩(wěn)，形成危巖地質(zhì)災(zāi)害，危害下方學(xué)校安全。從危巖體運動形式分析，其類型為滑動型危巖，其下方適當(dāng)位置應(yīng)設(shè)置剛性安全防護。

傳統(tǒng)方法地質(zhì)剖面主要是實測或在地形圖中切取。而崩塌危巖體，山高、坡陡，一般不具備實測的可能；在地形圖中切取剖面，受地形圖的精度影響較大，且不能反映出負(fù)地形的存在。點云數(shù)據(jù)逼近原型，是實物的真實反應(yīng)，從中切取剖面圖[13]，其精度高，誤差遠(yuǎn)小于常規(guī)測量，并且能將凹巖腔等負(fù)地形展現(xiàn)出來，可以導(dǎo)出CAD及其它主流軟件能編輯的格式，不僅能對任意位置的剖面進(jìn)行切取，還能通過指定間距，進(jìn)行多個平行剖面的連續(xù)切取[14]。這也是傳統(tǒng)測量無法實現(xiàn)的成果，將有助于穩(wěn)定性分析和破壞模式的劃分[15](五號危巖體所在位置剖面見圖6)。

圖6 五號危巖體所在位置剖面

以上分析中相關(guān)區(qū)域的位置、距離、面積、體積、角度和高差等數(shù)據(jù)直接在三維實景模型中量取。尤其是三維激光掃描的海量高程數(shù)據(jù)可以使危巖體方量計算的方格網(wǎng)由米級精度提高到厘米級，使方量計算精度得到極大的提高[16]。

根據(jù)規(guī)范、相關(guān)規(guī)定和危巖體的堆存現(xiàn)狀、形成機理及影響因素綜合分析，目前五號危巖體處于平衡狀態(tài)，但隨著時間延長，隨著風(fēng)化作用加劇，特別是在遭受地震或雷擊等外力影響后極易失穩(wěn)，從而產(chǎn)生危巖崩塌災(zāi)害。

根據(jù)格列其謝夫公式計算落石崩落距離(圖7)。

式中：α—邊坡坡角(°)；H—坡高(m)。

圖7 落石崩落距離簡圖

經(jīng)計算可知，5號危巖體崩落距離如表2：

表2 危巖體崩落距離計算

以上距離和斷面參數(shù)均可在三維模型中量取，從而取代傳統(tǒng)靠羅盤和皮尺現(xiàn)場量取崩落參數(shù)的方法；標(biāo)高、邊坡坡腳和坡高等參數(shù)可由三維模型形成的斷面圖獲得，從而分析出危巖體穩(wěn)定性(表3)。

表3 危巖體穩(wěn)定性分析

(3)輔助工程量精確計算

危巖體清除治理設(shè)計除了設(shè)計參數(shù)外，工作量計算和資金預(yù)算也非常重要。原先設(shè)計人員都是估算，一般都是預(yù)算比實際投入大很多，給業(yè)主造成資金浪費。采用三維激光掃描技術(shù)輔助工程量計算可以使工程量精確到1%平方米和立方米，預(yù)算額可以做到精準(zhǔn)控制(表4)。

表4 危巖體清除治理工程量總概算表

3 結(jié)語

崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理在防災(zāi)減災(zāi)、恢復(fù)地質(zhì)環(huán)境的同時，將會產(chǎn)生明顯的社會效益、環(huán)境效益，同時也產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益[17]。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到對危巖體的測繪設(shè)計是對傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益探索與創(chuàng)新，極大提高工作效率的同時，也提高了危巖體治理與設(shè)計的精度。更可利用掃描采集的數(shù)據(jù)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行研究，為滑坡災(zāi)害的防護提供寶貴的研究資料，將其各種效益最大化。

三維激光掃描技術(shù)是“繼GPS技術(shù)后又一測繪技術(shù)創(chuàng)新”[18]，具有快捷、方便、準(zhǔn)確、動態(tài)、實時、全數(shù)字化、高精度、測量方式靈活、非接觸測量等特點，三維掃描提供了危巖體的體積、位置、尺寸、方位和其所在位置的坡度等詳盡的參數(shù)，為設(shè)計分析危巖體穩(wěn)定性，計算施工工程量和預(yù)算提供了精確的依據(jù)。

地面三維激光掃描技術(shù)在我國尚處于初始階段，尤其在地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)尚且不齊全，今后需要不斷規(guī)范和完善。