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三维激光扫描在滑坡监测方面的应用

编辑: 来源: 日期:2017/5/17 23:38:27 浏览:624

我国是世界上地质灾害分布广泛、发生频率、危害严重的国家之一,每年因崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害造成的经济损失近200亿元,死亡数百人。 

目前,国内外滑坡灾害监测主要内容有地表变形监测、深部位移监测、力学参数监测以及环境影响因素(地表水、地下水、降雨量等)监测和宏观地质现象监测。而地表形变监测是滑坡监测预警的重要内容和有效手段。目前,应用最为广泛的手段是GPS和全站仪。但这种手段都是一种单点式监测,也就是说只对滑坡上重要部位建立的观测墩进行监测。这种方法的缺点是监测点数少,难以发现无监测点区域的变形情况,而且一旦被破坏会严重影响资料的连续性。

从地面三维激光扫描的测量原理与测量过程可知,三维激光扫描以格网扫描方式,高精度、高密度、高速度和免棱镜地测量地表点,具有高时间分辨率、高空间分辨率和测量精度均匀等特点,能详细了解滑坡体细节变形和整体变化,将三维激光扫描技术引入到滑坡变形监测领域无疑是非常有意义的。 

 

应用案例

阎家沟滑坡基本情况:

阎家沟滑坡位于子长县马河川流域张家渠村阎家沟沟谷右岸的黄土斜坡上,地理坐标:东经109°24′19.9″,北纬37°06′13.6″。阎家沟滑坡是黄土–基岩接触面大型老滑坡,稳定性差,危险程度较大,为延安地区市级重点监测滑坡,属于典型的黄土滑坡。滑坡体在平面上呈近似半椭圆形,由于农田修建等活动,滑坡后壁及中后部边界已被破坏,难以辨认。滑坡主滑方向246°,长350 m,宽420 m,平均厚26 m,体积达382.2×104 m3,属于大型滑坡。滑坡区原始坡度较平缓,平均坡度约27°。在剖面上,滑坡体呈阶梯状向河谷降落,整体坡度25°,全貌见图1。

图1 阎家沟滑坡全貌

滑坡区地层岩性为上覆中、晚更新统黄土,下伏基岩为中侏罗统安定组砂岩、泥页岩。滑坡主体发育于中、晚更新统黄土中,滑坡体上部主要为粉质黏土,由中、晚更新统黄土堆积体组成。滑体前缘局部可见中侏罗纪下统安定组泥页岩,由于滑体挤压滑动出露。滑坡滑床由两部分组成,中后部分为中晚更新统黄土,前部为中侏罗统安定组砂岩、泥页岩。滑坡滑带中上部物质成份以粉质黏土、黏土为主,呈软塑状,局部流塑状;前部为中侏罗统安定组泥页岩与黄土接触带混合物,滑带呈软塑状。

2002 年7 月4 日至5 日,子长发生特大暴雨,滑体地面及其上的住房也出现多处变形迹象。滑坡后缘出现长300 余米、宽10~20 cm 的裂缝,坡体沿着裂缝发生下滑、错动,北侧下错约35 cm,南侧下错约70 cm。滑体上窑洞顶面、窑面、炕头等多处均出现拉张裂缝,最长者达63 cm。2005 年7月,滑体前部耕地出现一条宽约30 cm 的横向裂缝,雨水的大量入渗,造成滑体前部不断向沟谷蠕动、塌方,表部树木形成“马刀树”,部分根部被拉裂形成“人”字型。滑体前部蠕动、垮塌,不断牵引后部滑体下错、前移,变形特征明显。

 

阎家沟滑坡的三维激光扫描:

利用 RIEGL 三维激光扫描仪设备分别对2012 年6 月27日和2012 年10 月31 日阎家沟滑坡进行监测扫描。2 次扫描激光点云个数分别为882 962 个和698 542个。图2、图3为去除植被后的2 次测量的激光点云数据(使用高程渐变色显示)。图2实线以上部分为阎家沟滑坡体。

根据地面激光扫描监测数据,利用阎家沟滑坡的固定观测点和坡面典型物体及特征断面方法对监测时间内的滑坡进行了分析。阎家沟滑坡面埋有2个水泥现浇的永久观测点,在2次激光扫描时,对其中1个固定点进行了现场量测,坐标见下表。通过下表对比发现观测点向西移动0.4 m,往北移动0.02 m,下沉0.173 m。

固定观测点坐标:

监测时间              东坐标/m                北坐标/m                    高度/m

20120627          19 357 984.537          4 109 280.629              1 270.658

20121031          19 357 984.138          4 109 280.653              1 270.485

考虑到阎家沟滑坡局部区域为植被覆盖,选取了植被覆盖区特征树木作为参考物进行比较坡面位移情况。图4 为一棵被拉扯为剪刀形的树木位移变化情况。图4(b)中红色点云为第一次扫描点云,白色点云为第二次扫描点云扫描数据,通过目视和扫描点云的距离查询,可得到该树木的平面位移大约0.5 m。

选取现场位移较大区域,利用 2 次扫描点云的截面图直接进行比对,比对结果图5。从图9 可以看出,平台上方的滑坡体前缘凸起,变形量为0.28 m,滑坡顶部相比第一次扫描数据明显下移,变形量约为0.35 m。整个边坡的中间平台整体下沉约为0.35 m。

通过DEM方法进行变形分析:

从图8可以看出:① 整个滑坡体沿z 方向的位移变化范围为-0.5~0.5 m,在滑坡前缘变形较大(图8 中黑色虚线附近),滑坡位移约为0.5 m。② 在滑坡体对面(图8 中5号区域)的山坡变形较大,变形范围为0.1~0.4 m。图8 中河沟底的6号区域变形也较大。③ 基于 DEM 数据的滑坡分析结果和固定点的观测结果较为接近,整个滑坡体在4 个月内的变形最大约为0.4 m。

通过此项目变形监测结果,可以说明三维激光扫描技术在进行滑坡灾害监测分析的应用上可以发挥出重要作用,详细精确分析出滑坡体细节变形和整体变化情况。

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