點云檢測技術在高速公路邊坡監(jiān)測中的應用

李濱 ，王漢順，段奇三，廖子敬

(1.北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871;2.廈門閩礦測繪院，福建廈門 361004;3.天元集思(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 101300;4.北京昊云科技有限公司，北京 100085)

1 引言

點云是對英文point cloud的翻譯，是對利用三維激光掃描技術獲取的大量的、密集的、含有多種信息的散點數(shù)據(jù)的形象表述。三維激光掃描技術獲取的點云，能快速、高精度精確、全面地記錄目標對象的三維空間位置信息、反射率的信息和色彩紋理信息等。點云的出現(xiàn)，為人們獲取豐富的空間信息提供了一種全新的技術手段。測繪人員從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)采集變?yōu)檫B續(xù)自動地獲取多點信息的面測量，從而提高了測量的效率，拓寬了測繪技術的應用領域。

高速公路邊坡監(jiān)測的技術手段多種多樣，目前主要采用的方法有:常規(guī)測量、GPS測量、傳感器測量等。利用常規(guī)測量方式進行變形監(jiān)測需要在變形體上布設監(jiān)測點，需要在變形體上布設監(jiān)測點，由于監(jiān)測點的數(shù)量有限、測量效率低、受天氣等因素影響大，測繪新技術的引入與研究對于提高邊坡監(jiān)測的工作的可靠性和效率有重要的意義。在監(jiān)測領域，國內外也逐步開展了開展了包括災害監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、沉陷監(jiān)測等方面的研究［1～4］。

2 三維激光掃描技術和點云

三維激光掃描技術又稱作實景復制或高清晰測量(High Definition Survey，HDS)，是當今最先進的測量技術的體現(xiàn)之一。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。目前，三維激光掃描技術主要應用領域包括文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災害評估、船舶設計、數(shù)字城市、軍事分析等［5］。

地面型三維激光掃描儀按照工作原理可分為基于往返時間測量的脈沖式掃描儀和基于相位波測量的相位式掃描儀兩大類。在邊坡監(jiān)測中，比較適合采用長測程的脈沖式掃描儀。

點云作為三維激光掃描技術的原始數(shù)據(jù)，從內業(yè)流程上改變了傳統(tǒng)測繪內頁的作業(yè)模式，也為更多的定量分析和精確定性分析提供了可能。點云檢測就是一種常規(guī)測量手段無法實現(xiàn)的新型檢測技術，它是利用目標對象的兩期掃描點云數(shù)據(jù)，或是單期點云數(shù)據(jù)與設計模型之間的對比，以檢測出不同時期檢測目標的變化情況。由于點云是屬于面測量，因此其相對于傳統(tǒng)單點測量，其分析是通過對大量點的擬合和統(tǒng)計分析，可以削弱范圍噪音，提高擬合成果精度［6］。點云檢測技術用于邊坡、橋梁、大壩等有需要變形監(jiān)測的對象，并能夠從整體上檢測出目標對象的變形情況。

3 點云檢測技術用于監(jiān)測的流程和方法

應用點云檢測技術，進行高速公路邊坡的監(jiān)測，其數(shù)據(jù)獲取和處理的主要流程和方法如下:

(1)監(jiān)測控制點的布設:控制點位埋設基礎要牢固、其穩(wěn)定性應不受邊坡體影響，保證距離待觀測邊坡100 m內;

(2)控制點基準值的測定:采用常規(guī)測量手段，建立監(jiān)測控制網點假設坐標系;

(3)每次掃描前要對控制點進行復測，以驗證控制點是否有位移情況，待驗證無誤后方可進行掃描工作;

(4)利用三維激光掃描儀對待測邊坡實施三維激光掃描，同時掃描標靶，擬合出標靶中心站心三維坐標;

(5)利用全站儀免棱鏡功能，對標靶靶心進行坐標測量;

(6)對采集到的邊坡點云數(shù)據(jù)，進行拼接，形成邊坡整體點云數(shù)據(jù)，并將點云數(shù)據(jù)轉換到控制點假設坐標系下;

(7)對拼接好的邊坡點云數(shù)據(jù)，在點云處理軟件中進行后期處理。剔除干擾數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)后，輸出點云坐標文件，供三維數(shù)據(jù)分析處理軟件調用;

(8)在點云檢測軟件Geomagic中，導入邊坡兩期掃描點云，剔除噪音數(shù)據(jù)后分別構建兩期實體模型，利用軟件的色譜分析法進行模型面對比分析。色譜分析法的原理是利用采集的點云構建出觀測對象的表面模型，通過兩期模型的疊加，將某一坐標軸方向上的變化分量依據(jù)其數(shù)值的大小設定不同的顏色，每個顏色代表一個變化范圍，從而可視化的形成監(jiān)測對象的變化情況的一個色譜圖。色譜圖上顏色的數(shù)量和每一個顏色代表的變化范圍的大小可根據(jù)實際需要設定。通常用暖色調表示正向變化，冷色調表示負向變化。因此從色譜圖中可以定性的直觀地看出邊坡體整體區(qū)域的變化量情況，為邊坡體的穩(wěn)定性分析提供更加全面和準確的依據(jù)。同時對于任何一個感興趣的點或區(qū)域，可定量的輸出其在任意空間方向上的變形量的監(jiān)測報告。所以色譜分析法可以定性和定量的對點云進行檢測，從而實現(xiàn)對目標對象的監(jiān)測分析。基于點云數(shù)據(jù)利用色譜分析法進行監(jiān)測的整個流程如圖1所示。

圖1 基于點云的高速公路邊坡監(jiān)測流程

關于監(jiān)測的精度問題，主要涉及掃描精度和拼接精度，國內外學者對這個問題也進行了相關的研究［7～9］。本次實驗中，拼接轉換殘差數(shù)值分析控制的公共點的拼接誤差均不超過 5 mm，因拼接轉換過程是掃描儀與全站儀兩種相互獨立測量方式的整體轉換與拼接，所以該拼接精度為包含各種測量誤差后的整體平差轉換精度。因此兩種測量方法所產生的各種誤差累積不超過 5 mm，也就是三維激光掃描獲取的點云用于監(jiān)測所能達到的監(jiān)測精度。

4 數(shù)據(jù)處理分析

本文選取了浙江上三高速公路上嵊段三處高邊坡體進行監(jiān)測研究的實驗區(qū)域，選擇006號邊坡K209+672～K210+095、122號邊坡 K240+903～K241+103、130號邊坡:K258+749～K259+110三處不同類型的邊坡作為監(jiān)測試點，為完善邊坡安全防控體系，探索普遍適用且科學、經濟的邊坡監(jiān)測方案。本文以130號邊坡的數(shù)據(jù)為例介紹本次研究的方法和成果。

4.1 內業(yè)數(shù)據(jù)處理的關鍵技術要求

后期數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術應用的關鍵階段，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的科學性、有效性，在外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后的內業(yè)數(shù)據(jù)處理分析階段主要遵循以下幾個關鍵技術要求。

(1)在同一軟件、同一坐標系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù);各次掃描數(shù)據(jù)根據(jù)控制點融合，做到同一坐標系統(tǒng)比較。

(2)必須對無效點云數(shù)據(jù)進行刪除，如植被遮擋數(shù)據(jù)、掃描范圍外的多余數(shù)據(jù)及其他干擾數(shù)據(jù)等，以保證數(shù)據(jù)分析的有效性。

(3)應對掃描產生的噪音數(shù)據(jù)進行剔除，并建立實體表面模型，在表面模型上進行數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析的精度。

(4)內業(yè)對比數(shù)據(jù)分析主要工作流程如下:點云數(shù)據(jù)整理——輸出有效點云數(shù)據(jù)——在點云軟件中構建實體模型——不同期實體模型數(shù)據(jù)的色譜分析。

4.2 邊坡數(shù)據(jù)分析

圖2是130號邊坡的原始假彩色點云數(shù)據(jù)。圖3是兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加的點云檢測分析，三級坡面差值在 －0.003 m～0.001 m范圍之間;二級坡面兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加分析，左側差值在－0.003 m～0.001 m范圍之間;右側差值在 0.000 m～0.005 m范圍之間;一級坡面兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加分析，左側差值在 －0.003 m～0.001 m范圍之間;右側差值在 －0.001 m～0.005 m范圍之間。綜合考慮儀器測量精度，可知邊坡體在本觀測周期內并未發(fā)生明顯的變動。

圖2 130號邊坡原始點云數(shù)據(jù)

圖3 剔除噪音后的130號邊坡色譜分析

4.3 重點部位監(jiān)測

在外業(yè)測量作業(yè)過程中，通過對邊坡體進行巡視，可以發(fā)現(xiàn)一些較明顯地質災害隱患，如邊坡裂縫、邊坡滲水等情況，但對于隱患部位的災害演化情況或變化量，通過常規(guī)方法很難測定。采用點云檢測技術，通過對災害隱患部位進行精細掃描測量，建立其精細表面模型，通過對模型進行疊加對比分析，還可以測定其細微變化量，為災害的分析預警提供科學依據(jù)。

圖4 130號邊坡表面模型和色譜分析

圖4是130號邊坡的點云數(shù)據(jù)建模后得到重點部位的表面模型和色譜分析圖。從圖上可以清晰的得到裂隙的分布情況和變化情況，并可進行裂隙變化情況的定量檢測。

5 點云檢測技術用于監(jiān)測的技術優(yōu)勢

利用三維激光掃描儀獲取的點云進行邊坡監(jiān)測，與其他技術手段相比，其技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)三維激光儀獲取的點云是面測量方式，可以對邊坡體進行整體測量，獲取對象完整信息、保存測量時刻邊坡狀態(tài)信息、建立邊坡基礎數(shù)據(jù)庫;

(2)點云數(shù)據(jù)將傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)采集變?yōu)檫B續(xù)自動的獲取多點信息，將點監(jiān)測變?yōu)槊姹O(jiān)測，克服傳統(tǒng)監(jiān)測以點代面的局限，可提高邊坡監(jiān)測工作的可靠性。

(3)測量及數(shù)據(jù)分析成果形象直觀，除可以對邊坡體進行整體分析外，更可以對重點監(jiān)測部位進行精密監(jiān)測;

(4)激光掃描非接觸測量的方式、施工人員不需要靠近監(jiān)測對象即可進行測量，可以實現(xiàn)對難以企級的目標和危險目標進行測量，確保人員安全，對道路交通無干擾;

(5)可以實現(xiàn)毫米級監(jiān)測精度、構建模型進行數(shù)據(jù)分析后，數(shù)據(jù)精度更高;

(6)無需埋設監(jiān)測設備、施工過程相對簡單、監(jiān)測費用不高。

6 結論

利用三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)進行高速公路邊坡監(jiān)測，具有速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字化的特點，可以快速獲取真實三維場景數(shù)據(jù)，徹底改變傳統(tǒng)測繪的單點測量的數(shù)據(jù)獲取方式，為用戶提供了全新的測量記錄手段，更為測繪成果應用的多樣性提供了可能。雖然目前點云檢測技術在監(jiān)測工作中應用還處于起步階段，還有一些問題需要探討，但它自身所具有的獨特技術優(yōu)勢，必將成為監(jiān)測技術發(fā)展的一個方向，為邊坡工程安全管理及規(guī)劃設計提供全新的技術支持手段。

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