三維激光掃描技術(shù)在渠坡凍脹監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周富強(qiáng)，吳 艷，戴燦偉，謝振召

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊新瑞徠儀器有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

徠卡測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)欄

三維激光掃描技術(shù)在渠坡凍脹監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周富強(qiáng)1，吳 艷1，戴燦偉1，謝振召2

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊新瑞徠儀器有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

采用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展了嚴(yán)寒寒冷地區(qū)不同渠道結(jié)構(gòu)在渠底、岸坡結(jié)冰情況下的原位野外凍脹量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，結(jié)合渠道自身的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)不同渠道護(hù)坡形式的凍脹量影響因素進(jìn)行了分析。成果表明，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行渠道凍脹量監(jiān)測(cè)是可行的。

渠道；凍脹；監(jiān)測(cè)；三維激光；點(diǎn)云

一、前 言

由于三維激光掃描可在較短時(shí)間內(nèi)獲取地形及空間物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)，完整、高精度地重建掃描實(shí)物，提取實(shí)物特征等，其在水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，主要體現(xiàn)在地形測(cè)繪[1]、變形[2-3]、隧洞缺陷檢測(cè)[4]等領(lǐng)域?？蒲腥藛T對(duì)涉及三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理精度的標(biāo)靶[5]、點(diǎn)云配準(zhǔn)[6]及擬合[7]、點(diǎn)云分辨率[8]、數(shù)據(jù)拼接[9]等進(jìn)行了富有成效的研究，并對(duì)其測(cè)量[10]及應(yīng)用誤差[11-12]進(jìn)行了有意義的探討。由此可見(jiàn)，目前三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用已日臻成熟。

新疆等西北嚴(yán)寒寒冷地區(qū)渠道冬季延長(zhǎng)供水或全冬季供水，造成渠道底部殘余水未能及時(shí)排除而結(jié)冰、岸坡結(jié)冰的問(wèn)題比較突出，由此產(chǎn)生較大的凍脹量，導(dǎo)致渠道破壞的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不僅增加了維修成本，制約工程效益的發(fā)揮，更浪費(fèi)了寶貴的水資源。以往對(duì)于渠道冬季供水對(duì)渠道整體結(jié)構(gòu)的影響研究較少。當(dāng)前凍脹量監(jiān)測(cè)主要是采用水準(zhǔn)儀、全站儀和一些常規(guī)的監(jiān)測(cè)儀器(如位移計(jì)改裝)等實(shí)現(xiàn)的，取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確和全面，且監(jiān)測(cè)成果反映的是渠坡某點(diǎn)的凍脹量，而不能全面反映渠坡的整體凍脹變形情況。因此本文利用三維激光掃描技術(shù)，針對(duì)嚴(yán)寒寒冷地區(qū)幾種主要的護(hù)岸形式，開(kāi)展凍脹變形研究，以分析不同護(hù)坡形式下的凍脹特征。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

1.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確了解新疆等西北嚴(yán)寒寒冷地區(qū)渠道整體的凍脹變化情況，2013年初冬，修建野外原位渠道凍脹試驗(yàn)段，如圖1所示。試驗(yàn)段全長(zhǎng)36 m，梯形斷面，渠底坡比為1%，渠底寬0.2 m，坡高1.50 m，坡比1.30，東西走向。左側(cè)岸坡分4個(gè)填筑區(qū)域，填筑料均為砂礫石，依次采用硬質(zhì)混凝襯砌、生態(tài)袋、裸露黏土等護(hù)坡形式，長(zhǎng)度分別為12 m、8 m、6 m、10 m。混凝土襯砌板厚6 cm，一次整體澆筑完成，未采取結(jié)構(gòu)分縫，黏土密實(shí)度1.50～1.84 g/cm3。

圖1 野外渠道凍脹監(jiān)測(cè)試驗(yàn)段俯視示意圖

受野外地形的限制，MS50全站掃描儀的測(cè)站只能架設(shè)在臨近右岸的山坡上，觀測(cè)渠道左岸的凍脹變形。渠道冰面以上渠坡變形采用Leica公司生產(chǎn)的三維激光掃描儀，采集凍脹量點(diǎn)云數(shù)據(jù)；冰面以下的變形還是以常規(guī)儀器為準(zhǔn)，埋設(shè)大量的土壤水分儀、溫度計(jì)及凍脹融沉計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器。

根據(jù)礫石土壤一般被認(rèn)為不具凍脹性的特點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)周?chē)?～3 m、凍結(jié)深度以下0.5 m的范圍內(nèi)換填砂礫石予以夯實(shí)，作為基準(zhǔn)，同時(shí)采用全站儀及水準(zhǔn)儀對(duì)基點(diǎn)變位予以校核。

2.試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)段修建完畢，在測(cè)站上架設(shè)三維激光掃描儀，選取基準(zhǔn)點(diǎn)CT1、CT2和CT3作為參考點(diǎn)，對(duì)渠道凍脹前的原始形狀進(jìn)行掃描，獲取渠道三維表面的陣列式幾何點(diǎn)云圖形數(shù)據(jù)。2014年1月4—5日，對(duì)渠道進(jìn)行了注水，渠道結(jié)冰厚度約50 cm。2014年3月10日，清除冰面及渠坡的積雪，對(duì)渠道進(jìn)行二次掃描，獲得豎向凍脹之后的渠道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。試驗(yàn)凍脹沉陷前后的點(diǎn)云配準(zhǔn)以未凍脹時(shí)的測(cè)站坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，對(duì)3個(gè)同名標(biāo)靶進(jìn)行拼接，以此開(kāi)展渠道的凍脹分析。

三、試驗(yàn)段凍脹量影響因素監(jiān)測(cè)

2014年1、2月份的月均氣溫分別為－11.2℃、－14.9℃，屬于典型的嚴(yán)寒氣候，日均氣溫在－21.75～－2.07℃，日均負(fù)溫累計(jì)天數(shù)為67 d，土壤凍結(jié)指數(shù)為683.1，試驗(yàn)段當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃?.5 m，冰層凍結(jié)厚度一般在60～70 cm。

渠道注水之后，隨著渠道水體滲入土壤及渠底上部冰體的覆蓋，冰面以下裸土和混凝土襯砌表面的溫度有所上升，土壤凍結(jié)深度也相應(yīng)有所減少，約為38 cm；裸露黏土水面線以下表面的土壤含水率均較高，后期隨著內(nèi)部水分向表面的遷移及向更深內(nèi)部的滲漏，裸土內(nèi)部含水率逐步降低，而表面的水分由于有冰體的覆蓋，土壤含水率基本穩(wěn)定；混凝土襯砌下的土壤內(nèi)部含水率處于緩慢的上升狀態(tài)(如圖2、表1所示)。

表1 原型試驗(yàn)渠道凍脹影響因素特征統(tǒng)計(jì)表

圖2 原型試驗(yàn)渠道底部土壤含水率過(guò)程線

四、點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果分析

1.凍脹量點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果

截取冰面以上部分的渠坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行豎向凍脹量的分析，以?xún)雒浨暗某跏键c(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)兩次掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)、分割提取及去噪后，開(kāi)展渠道原始及凍脹后的逆向三維數(shù)字模型重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)之后的兩次數(shù)字模型進(jìn)行對(duì)比分析，求出渠坡整體豎向凍脹量，如圖3所示。

渠道的走向大體分為3段，有兩個(gè)變徑點(diǎn)，其變形量較大，主要表現(xiàn)為向渠道外側(cè)的位移，兩個(gè)部位的變形量分別為1.3～20.5 mm、11.6～47.9 mm。

從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分別提取混凝土硬質(zhì)邊坡等4種護(hù)坡形式典型斷面的凍脹量，混凝土硬質(zhì)邊坡和裸露黏土均表現(xiàn)為凍脹變形，而無(wú)論裸土渠道還是混凝土襯砌渠道，均表現(xiàn)為距渠道頂部約20 cm的范圍內(nèi)渠坡的豎向凍脹量最大，混凝土襯砌板豎向凍脹量遠(yuǎn)小于黏性裸土的豎向凍脹量。與常規(guī)埋設(shè)于渠底及水面線附近的凍脹融沉計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理結(jié)果還是較好的，符合渠道的變形規(guī)律，見(jiàn)表2。

圖3 典型渠道凍脹分布示意圖

表2 凍脹量統(tǒng)計(jì)表mm

生態(tài)袋和輪胎護(hù)坡形式表現(xiàn)為沉陷引起的變形，生態(tài)袋的變形較大，量值為23.3～52.5 mm，輪胎的變形量較小。結(jié)合凍脹融沉計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，生態(tài)袋護(hù)岸水面線以上附近的沉降變形較水面線附近及渠底的大，如圖4所示。

2.凍脹量影響因素

影響土的凍脹的主要因素有土質(zhì)、水分補(bǔ)給、凍結(jié)條件(溫度梯度和凍結(jié)速率)及上覆冰雪等荷載。土體在凍結(jié)過(guò)程中，由于水分遷移使凍結(jié)鋒面土體的含水率增大，加劇了凍結(jié)時(shí)的體積膨脹，增大了土體的孔隙體積。一般而言，土體溫度為－7℃～－1℃時(shí)，凍脹量約占最大凍脹量的95%以上，在深冬季節(jié)，凍脹量變化并不是很大。

新疆等西北地區(qū)在冬季普遍存在季節(jié)性?xún)鐾帘砻娓采w一層冰體和積雪的現(xiàn)象。結(jié)冰體和積雪的存在改變了土壤與大氣之間的水熱傳遞規(guī)律，相當(dāng)于在渠基土表面覆蓋了一層保溫材料，減緩了環(huán)境溫度對(duì)土壤凍結(jié)速度及深度的影響，因此有效地提高了渠基土內(nèi)部的溫度分布，從而降低了凍脹量。已有的研究表明，積雪覆蓋土壤比裸地平均地溫高出1℃，土壤表面0～100 cm內(nèi)的體積含水率高出2%[13]。野外原位試驗(yàn)渠道在歷時(shí)2個(gè)半月后，受冰體及積雪覆蓋的影響，渠坡法向土壤深度40 cm處的溫度基本穩(wěn)定在0℃，土壤含水率基本穩(wěn)定在30%左右，遠(yuǎn)大于黏土及砂礫土的起始凍脹含水率(分別為12%～17%和6%～8%)，因此土壤的凍脹變形基本穩(wěn)定，對(duì)于裸黏土和混凝土襯砌而言，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理結(jié)果為最終凍脹量。

圖4 渠道典型斷面凍脹量分布圖

對(duì)于冬季延長(zhǎng)供水期或全冬季供水渠道，底部積冰是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。由于冰體膨脹產(chǎn)生的推力，底部附近均產(chǎn)生向渠外側(cè)的變形趨勢(shì)，水面線附近向渠道內(nèi)側(cè)變形，在混凝土襯砌整體性及裸土凍結(jié)面的約束作用下，其變形與未結(jié)冰的渠道相比，加大了水面線以上渠坡的變形，降低了水面線以下的凍脹變形，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理結(jié)果基本符合渠坡的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于生態(tài)袋護(hù)岸，由于生態(tài)袋內(nèi)的土壤無(wú)法夯實(shí)，相對(duì)裸土和混凝土襯砌而言，結(jié)構(gòu)較為松散，袋內(nèi)土體受凍，更多地表現(xiàn)為因收縮而產(chǎn)生的沉降變形。受密實(shí)度及含水率分布不均的影響，即使相同的渠基料，其凍脹量也略有差別。

3.點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差

無(wú)論是混凝土襯砌板還是黏性裸土的凍脹，除了考慮渠道自身的實(shí)際運(yùn)行工況外，可能還有以下幾種影響因素：

1)通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩次變位的觀測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)的水平及豎向變形量在2 mm以?xún)?nèi)，量值較小，其對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差影響不大。

2)經(jīng)計(jì)算分析，凍脹前后兩次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中誤差在2 mm以?xún)?nèi)，且主要表現(xiàn)為豎向誤差，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度可以滿(mǎn)足巖土凍脹量試驗(yàn)要求。

4.點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在的一些問(wèn)題

雖然三維激光掃描系統(tǒng)的硬件和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理已經(jīng)比較成熟，關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差也進(jìn)行了大量的研究和分析，但在水利工程的具體應(yīng)用方面，該行業(yè)專(zhuān)業(yè)特性的要求在很大程度上制約了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

1)在試驗(yàn)中，三維激光掃描儀只能掃描冰面以上的渠坡凍脹的變化情況，對(duì)于激光光源反射不足的冰面，容易造成掃描盲區(qū)，應(yīng)剔除相應(yīng)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取前需清除渠坡的積雪，清掃過(guò)程對(duì)坡面的擾動(dòng)等因素是凍脹量產(chǎn)生較大誤差的主要來(lái)源，但排除該影響因素是較為困難的。

3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取速度快、精度較高；但是點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)人員的技術(shù)水平要求高，數(shù)據(jù)處理時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于測(cè)量的時(shí)間，因此激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方面還需要有更多的改善。

4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的精度缺乏國(guó)標(biāo)及相關(guān)行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性有待于相關(guān)行業(yè)的廣泛認(rèn)可，尤其是在觀測(cè)精度要求比較高的水利工程監(jiān)測(cè)行業(yè)。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文采用三維激光掃描技術(shù)，獲取了西北嚴(yán)寒寒冷地區(qū)渠底結(jié)冰、渠坡含水率較高的渠道凍脹量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)凍脹量的影響因素進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行渠道凍脹量監(jiān)測(cè)是可行的，能全面地反映渠坡的整體凍脹變形量及分布情況，豐富了水利工程的監(jiān)測(cè)方法。同時(shí)，筆者針對(duì)其在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，也指出了不足。

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The Application of 3D Laser Scanning Technique in Cannel Slope Frost-heavy Monitoring

ZHOU Fuqiang，WU Yan，DAI Canwei，XIE Zhenzhao

P258

B

0494-0911(2014)11-0129-04

2014-08-12

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201301022)；新疆公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)(KY2014039)；新疆科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)(2014009)

周富強(qiáng)(1970－)，男，新疆昌吉人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事安全監(jiān)測(cè)方面的工作。

周富強(qiáng)，吳艷，戴燦偉，等.三維激光掃描技術(shù)在渠坡凍脹監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：129-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0001