三維激光掃描技術應用于邊坡位移監(jiān)測

邢正全，鄧喀中

（1.中國礦業(yè)大學國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪局重點實驗室，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇徐州 221116）

三維激光掃描技術應用于邊坡位移監(jiān)測

邢正全1,2，鄧喀中1,2

（1.中國礦業(yè)大學國土環(huán)境與災害監(jiān)測國家測繪局重點實驗室，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇徐州 221116）

對地面三維激光掃描技術進行了簡要介紹，將Trimble GX 3D激光掃描系統(tǒng)應用于邊坡位移監(jiān)測，并利用其配套的realworks survey數(shù)據(jù)處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得出結果。

三維激光掃描；邊坡；位移監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理

隨著我國現(xiàn)代化建設事業(yè)的迅速發(fā)展，各類水利水電設施、礦山、港口、高速公路、鐵路和能源工程等工程的建設中或建成后的運營期內(nèi)，不可避免地形成了大量的邊坡工程。與此同時，由地震、自然降雨、火山噴發(fā)等誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，嚴重威脅著人民的生命、財產(chǎn)安全，在一定程度上制約了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。如果能比較準確地預報滑坡發(fā)生的時間，則可采取相應措施，防患于未然，將滑坡災害造成的損失減少到最低點。

針對以上這一系列難題，國內(nèi)外都開展了一些技術方法的研究工作，如數(shù)字攝影測量、全站儀和 GPS聯(lián)合作業(yè)等工作，均取得了一些效果。但是由于這些方法存在一些技術上的難題，生產(chǎn)實踐中難以全面推廣應用。

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，被稱為測繪領域繼GPS之后的又一次技術革命，它能快速、高精度、非接觸、直接獲取研究對象表面空間三維數(shù)據(jù)，其獨特的空間數(shù)據(jù)采集方式使其具有多方面的技術優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的測繪技術相比，三維激光掃描技術提高了自動化提取信息的程度、表達對象細節(jié)信息能力強、受環(huán)境條件影響小、數(shù)據(jù)采集效率高。

1 地面三維激光掃描技術

1.1 工作原理

地面三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量方式，以點云的形式獲取地形及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。其工作原理：掃描儀對目標發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和接受的時間差計算出相應被測點與掃描儀的距離，再根據(jù)水平方向和垂直方向的步進角距值，即可實時計算出被測點的三維坐標，并將其送入存儲設備予以記錄儲存，經(jīng)過相應軟件的簡單處理，即可提供被測對象的三維幾何模型。

圖1 系統(tǒng)工作原理

1.2 數(shù)據(jù)處理流程

三維激光掃描技術所獲取的原始數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點構成的，被稱為“點云”。點云數(shù)據(jù)包含了大量的粗差和系統(tǒng)誤差不能被直接使用，此外，點云數(shù)據(jù)中還包含有大量的冗余信息，這些冗余信息對后續(xù)的三維建模和數(shù)據(jù)分析幫助不大，并且占用大量的存儲空間。因此，在三維建模之前首先要進行數(shù)據(jù)處理，一般包括：粗差剔除、模型拼接、參考系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)壓縮、三維建模、應用分析等步驟，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

1.3 精度及其影響因素

影響地面三維激光掃描精度的主要因素包括：步進器的測角精度、儀器的測時精度、激光信號的信噪比、激光信號的反射率、回波信號的強度、背景輻射噪聲的強度、激光脈沖接收器的靈敏度、儀器與被測點間點的距離、儀器與被測目標面所形成的角度等。

在不考慮信號測量誤差的影響下，地面三維激光掃描的采樣數(shù)據(jù)精度主要取決于激光光斑的尺寸和光斑的點間距。地面三維激光掃描的工作角度和距離對測量精度有著直接的影響。儀器與被測點的距離越近，激光光斑越小，分辨率越高，回波信號也越強，相應的測量精度就越高，反之則測量精度越低；入射激光與被測點的曲面法線所形成的角度越小，激光光斑越小，分辨率越高，點間距越小，回波信號也越強，相應的測量精度就越高，反之則測量精度越低。當夾角大到一定程度，儀器將無法獲得足夠的回波信息，造成測量的失效，這一點在設計測量方案時必須予以避免。此外，由于儀器是通過激光的回波信號來測定距離的，對于激光被全反射（基于光滑鏡面非入射光路全反射）和全投射（激光穿越目標，無回波信號不能被檢測到的情形）情況，會造成距離影像的盲點，這一點應在測繪時予以避免或采取適當方式予以補償。

2 TrimbleGX 3D激光掃描系統(tǒng)

TrimbleGX 3D掃描儀屬于徑向掃描儀，使用脈沖測距技術（Time of Flight）從固定中心沿視線測量距離，它是一種集成了多種高新技術的新型三維坐標測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復雜物體表面的陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。儀器要包括激光測距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時也集成CCD數(shù)字攝影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。

本文實驗數(shù)據(jù)采集及處理所使用的三維激光掃描系統(tǒng)組成為：1）TirmbleGX 3D掃描儀；2）筆記本電腦；3）三腳架；4）電池、電纜；5）控制標靶；6）外業(yè)軟件PointScape。

3 RealWorks Survey軟件概述

RealWorks Survey是Trimble GX 3D掃描儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件，為處理三維點云和二維圖像數(shù)據(jù)而獲得必要的信息提供了整套的工具。大體而言，數(shù)據(jù)處理被分為3個模式：匹配模式、辦公模式和建模模式，如圖3所示。

圖3 RealWorks Survey的三個工作模式

在Registration處理模式下，可以利用重疊點云部分將一次（一組）的掃描與其他（組）的掃描（群）進行匹配。如果數(shù)據(jù)來源于標靶掃描，可以先分析里面的配準實體，然后再將幾個掃描場景同時進行匹配并將結果保存在一個報告中；也可以使用地理參考工具將掃描到的數(shù)據(jù)放在已知的坐標系中。

在OfficeSurvey模式中，可以從點云中提取不同類型的二維圖形（多邊線、等高線、樣條曲線、剖面等）；可以選擇和匹配二維圖形到點云，生成一次或多次正射投影圖；可以從點云中生成三角形格網(wǎng)，而且如果有必要的話，可以對生成的格網(wǎng)進行進一步的編輯；可以計算單個點云（格網(wǎng)）的體積，兩個點云（或格網(wǎng)）之間的體積或者一個點云與一個格網(wǎng)之間的體積，從而產(chǎn)生一幅監(jiān)測圖等。

在Modeling模式下，可以創(chuàng)造出球體、平面、柱體等多種幾何物體。這些物體可以基于點云產(chǎn)生也可以不依附點云產(chǎn)生，同時可以對生成的幾何體進行復制、修改和移動處理等。

4 工程實例

4.1 數(shù)據(jù)采集

利用掃描系統(tǒng)對某露天礦坑邊坡研究區(qū)進行掃描，共掃描了12天連續(xù)6期，平均每隔兩天進行一期數(shù)據(jù)的采集，由于三維激光掃描儀很難從一個方向掃描一次便可得到掃描目標的完整點云數(shù)據(jù)，因此在進行每期的掃描時都在同一設站變換一次掃描儀的角度以便于獲取兩幅掃描影像，最終得到6期的12幅掃描影像，這些掃描是在礦坑對面約300 m遠處地區(qū)所設的一個測站來完成的。同時在被測掃描區(qū)安裝 2個明顯的圓形標靶，以便于在realworks survey軟件的點云拼接模塊中對同名點進行識別以及測量這兩個標志物中心點的三維坐標位移變化。

4.2 數(shù)據(jù)處理

由于掃描儀在現(xiàn)場使用中工作環(huán)境復雜，尤其是在施工現(xiàn)場工作時，施工機械的運動、人員走動、樹木、建筑物遮擋、施工浮沉及掃描目標本身反射特性的不均勻等影響，將會造成掃描獲取的點云數(shù)據(jù)包含一些不穩(wěn)定點和噪音點，因此首先應進行點云過濾將這些點去除。另外由于是在露天礦區(qū)內(nèi)進行的，因此空氣中會彌漫著大量細小的碳粒和雜質(zhì)，為掃描結果帶來了一些影響，所以還要在處理軟件的相應模塊中進行去噪處理。

對經(jīng)過濾波和去噪處理的點云數(shù)據(jù)，使用realworks survey的 Registration模塊進行點云拼接。圖4和圖5分別為第一天掃描數(shù)據(jù)拼接前和拼接后結果。

圖4 第一次掃描數(shù)據(jù)拼接前結果

圖5 第一次掃描數(shù)據(jù)拼接后結果

對于拼接完成的數(shù)據(jù)，利用 real works survey的Modeling模塊進行目標三維重建，結果如圖6所示。

圖6 三維重建結果

對每一期的掃描數(shù)據(jù)都進行以上濾波、去噪、拼接、三維重建處理，然后將 6期的模型結果直接進行疊加，利用real works survey的Of fice Survey模塊中的監(jiān)測功能，對這六期的點云數(shù)據(jù)的差別進行分析，對誤差圖用不同的顏色進行分類，從而得出邊坡的變形趨勢和量級，結果如圖7所示。

圖7 監(jiān)測結果

4.3 結果分析

通過對三維激光掃描數(shù)據(jù)的監(jiān)測結果進行分析得知該實驗區(qū)邊坡總體變形趨勢較為平緩，其最大位移量為厘米級，如圖 7所示，紅色區(qū)域為邊坡位移變化量最大的區(qū)域，接下來依次為黃色、綠色、藍色和淺藍色。根據(jù)監(jiān)測結果，紅色區(qū)域大部分位于傾斜度比較陡的地方，這類地區(qū)是開挖地區(qū)，傾斜度較大，位移速率變化大，容易有滑坡的傾向。而藍色區(qū)域變化最小，大部分位于比較平坦的區(qū)域，位移速率變換小，目前比較平穩(wěn)，暫時不會有滑坡的趨勢。

5結語

根據(jù)以上的分析和實驗結果，三維激光掃描系統(tǒng)由于操作簡單，監(jiān)測結果明顯易懂，因此非常適合使用在邊坡監(jiān)測項目當中。另外，三維激光掃描技術具有測量速度快、點密度高、可以全天候監(jiān)測等特點，可以為準確預測預報滑坡的發(fā)生時刻提供第一手連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)及其相關信息資料，不失為滑坡災害短期、臨滑預測預報監(jiān)測的一個新途徑。

但是就目前的三維激光掃描技術發(fā)展水平而言，彩色信息的采集及處理還有待進一步的提高與改進，在多幅彩色圖像拼接及彩色圖像疊加精度上都還存在一定的差距。這種監(jiān)測方法有無需事先埋設監(jiān)測設備，無接觸式測量，監(jiān)測速度快，能夠反映坡體的總體變形趨勢等優(yōu)點，但是較傳統(tǒng)監(jiān)測的方法而言精度稍低，更適合大變形邊坡的監(jiān)測使用。

[1] 李清泉，楊必勝，史文中，等.三維空間數(shù)據(jù)的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學出版社，2003

[2] Lefsky M A，etal.Lidar Remote Sensing for Ecosystem Studies [J].BioScience，2002，52(1):19-30

[3] Lovell JL，Jupp D L B，Culvenor D S，etal.Using Airborne and Ground-based Ranging Lidar to Measure Canopy Structure in Australian Forests[J].Can.J.Remote Sensing，2003，29，(5)：607-622

[4] 鄭德華，雷偉光.地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測，2003(2):26-28

[5] 陳永奇，吳子安.變形監(jiān)測分析與預報[M].北京：測繪出版社，1997

[6] 董秀軍，黃潤秋.三維激光掃描技術在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應用[J].巖土力學與工程學報，2006，25(2):3629-3635

[7] 戴作鵬.簡述滑坡的觀測方法與滑坡預報[J].四川測繪，1999，22(3):140-141

Application of 3D Laser Scanning Technology in Slope Displacement Monitoring

by Xing Zhengquan

Introduced the 3D laser sanning technology briefly,app lied Trimble GX 3D laser scanning system to slope displacement monitoring,made use of the data processing software for Trimble GX 3D to deal with the collected datas,and come to a conclusion.

3D laser scanning,slope,displacement monitoring,data processing（Page:68）

TN247

B

1672-4623(2011)01-0068-03

2010-05-04

項目來源：高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20090095110002)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（CX08B_111Z）。

邢正全，碩士，主要從事工程測量和三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的理論與方法研究。