基于點云數據的水利工程邊坡位移監測研究

摘 要：水利水電工程邊坡除經受地震和降水等自然力作用外，還要經受水工建筑物、庫水、泄洪霧化水等工程作用。工作狀況、作用機制及作用效應都較復雜，加之超高工程的邊坡治理工作經驗也不多，導致穩定控制的難度很大。文章研究的是將三維激光掃描技術應用于邊坡位移監測，并利用其配套的cyclone數據處理軟件對點云數據進行處理，從而得到結果。對某壩邊坡進行位移變形監測，通過監測來掌握崩塌、滑坡的變形特征及規律，使邊坡的動態監測研究向著自動化、智能化、系統化的方向發展，為邊坡的穩定性評價、防治工程設計和滑坡治理提供決策依據。

關鍵詞：水利工程；三維激光掃描技術；點云數據處理；邊坡；位移監測

引言

近十年來，隨著我國經濟快速發展和對清潔能源強大需求，西南地區水能開發呈現加速的勢頭，一批大型水電工程相繼開工建設[1]。然而，水能資源豐富的西南地區地質條件極其復雜，該地區河谷呈V字形，谷坡陡峻，巖體卸荷強烈，地震烈度高，且地質結構復雜，岸坡穩定性差；水電工程規模巨大，各類工程建筑物因布置需要，不可避免地實施開挖形成大量邊坡工程，對于200至300m級的高壩工程，一般人工開挖邊坡將達到300至500m，開挖邊坡上部還可能存在數百米至千余米自然邊坡，工程邊坡穩定問題十分突出。因此，邊坡穩定控制成為水電工程建設成敗的關鍵技術問題之一，影響和制約著水力資源開發和水電工程建設[2]。

三維激光掃描儀有以下幾個特點：（1）攜帶方便，操作簡便。大小體積與全站儀相仿，配合三角支架即可進行工作。工作所需空間小，適用于高山峽谷、地勢險要的工程項目。又由于其自動化程度高，操作簡便，也可遠程控制，所以適用于惡劣天氣的采集工作。（2）采集速度快，掃描范圍大。通常的地面掃描儀的掃描速度可達每秒數千點以上，某些型號的可達每秒數十萬，完全可以做到隨施工進度進行及時的數據更新，實現對施工質量進行控制，一般三維激光掃描儀均可達到全景掃描，所以特別適合大型工程測量。（3）掃描精度高。大都可達毫米級，足以滿足工程測量需要[3]。

1 三維激光掃描技術

1.1 三維激光掃描技術的工作原理

作為三維激光掃描技術的載體，三維激光掃描儀并不復雜，通常一臺激光測距系統、一組反射棱鏡、水平方位偏轉控制器、高度角偏轉控制器、數據輸出處理器構成了三維激光掃描儀，可以直接獲得目標物的影像[7]。完成對物體的全方位掃描是通過儀器自身的傳動裝置進行掃描運動而實現的，并通過自身的傳感器及記錄裝置完成點云數據的讀取及存儲。其工作模式是通過儀器內部的激光脈沖二級管發射的脈沖激光，按照從左到右、先上后下的順序射向被測物體，并接收被測物體反射回來的部分激光。儀器可以根據反射回來的部分激光信息賦給被測物體RGB信息，以便于區分不同的物體，同時記錄脈沖激光從發出到返回接收所經歷的時間，這樣便可以計算出儀器原點到物體間的距離S，然后利用儀器記錄的激光束在水平方向與X軸的夾角？琢和激光束在豎直方向與水平面的夾角？茲，根據公式（1）便可以計算出被測物體的三維坐標。不過此時所求的坐標是在三維激光掃描系統自定義的坐標系統里。

（1）

1.2 點云獲取

地面三維激光掃描儀是按照線方式采集數據的，掃描時采用逐行的方式來獲取空間點的數據，掃描得到的空間數據表現為一種矩陣形式，每個矩陣單元的值為獲取的目標物表面采樣點的三維坐標。由于空間點的坐標反映了視點與控制點的距離。因此，掃描所得到的圖像稱為深度圖像。圖2為掃描獲取數據的示意圖。

2 點云數據處理

三維激光掃描技術能夠在幾秒內獲取目標物體成千上萬個點云數據信息，而高邊坡開挖施工場地大，作業人員、施工機械、運輸機械較多，難免會對目標區域產生遮擋。同時現場由于爆破、刮風等因素，引起灰塵較大，也會對數據采集工作產生一定的影響。所以要對采集的數據進行處理，刪除不屬于目標物體的形態表征點，降低誤差干擾點的影響，壓縮數據使用量等等。數據處理包括數據預處理和數據降噪。

2.1 數據處理

（1）激光點云生成。將采集到的數據通過數據線或無線等方式導入工作電腦中，利用萊卡自帶軟件cyclone進行數據讀取，同時為數據處理提供依據。（2）選擇目標數據區域。進行掃描所得到的數據量是非常龐大的，并且數據里面還存在一些無關的點云，這樣就大大增加了點云的數量。所以要將這些無關的點進行刪除，以減小數據的運算量。本次無關點的刪除是采用cyclone軟件的刪除功能進行的，并對每個掃描區域建立圖層，為后期數據處理提供便利。（3）識別標靶并進行配準和拼接。在野外掃描時，一般為達到掃描數據完整的要求，往往設置幾個測站，同時每兩個站之間都要設置三個以上的標靶，并保證標靶不在同一條直線上，掃描每站時要確定能掃到每個標靶，為數據拼接做準備。利用萊卡自帶軟件cyclone進行數據拼接一般有三種方法：基于標靶的拼接、基于點云的拼接、基于已知點的拼接。根據不同的工作環境可以選擇不同的數據拼接方法。（4）冗余數據的處理。拼接所得到的目標點云數據由于存在數據重合的現象，所以要對數據進行抽稀處理，相當于進行數據的壓縮。并且在目標點云周邊會存在一些噪聲點，要利用Geomagic軟件或其他軟件刪除無用孤點，確保只留下目標的掃描點，提高數據的真實性。（5）多邊形化點云及修補模型。將處理好的點云數據進行表面建模，形成一個近似原目標的外觀模型。由于掃描或數據壓縮過程中可能存在數據的缺失，使得模型的部分區域精度不高，從而得到的模型也有缺陷，所以要對模型進行修復。（6）數據讀取。模型建立以后可以對其進行距離的量測、體積的計算以及特征線的簡單提取，并且可以與原點云數據進行比對，分析模型的質量。

2.2 點云數據去噪濾波

一般情況下，針對噪聲產生的不同原因，采用相應的方法，達到消除噪聲的目的。對一般的噪聲，從調整掃描和掃描物之間的距離來解決；對系統固有的噪聲可以通過調整掃描的參數或利用一些平滑或濾波的方法過濾掉。

文章利用有序點云濾波方式進行去噪。高斯濾波、中值濾波或是均值濾波是幾種經典的平滑濾波方法。其濾波窗口和效果如圖3所示。

3 安全監測模型

邊坡是一個較為復雜的系統，影響邊坡穩定的因素相對較多，將預處理及除噪了的點云數據輸入到cyclone軟件中，利用modeling模塊進行三維重建。對每一期的掃描數據都進行以上濾波、去噪、拼接、三維重建處理，然后將每一個時期的模型結果直接進行疊加，利用模塊的監測功能，對不同時期的點云數據的差別進行分析，對誤差圖用不同的顏色進行分類，從來得出邊坡的變形趨勢。

4 結束語

三維激光掃描系統操作簡單、安全實用，監測結果明顯易懂。因此，非常適合使用在水電工程的邊坡監測項目中。同時它能夠快速、全面、海量的獲取原始點云數據，并利用點云數據，完整高精度的重建被測實體。采用非接觸的數據采集方式，能夠遠距離、安全地開展工作任務。其數字自動化操作平臺可以節省大量的人力物力，使資源利用率更高。三維激光掃描技術的快速發展也推動著測量技術的發展，其可以對任何復雜的現場環境及空間進行掃描操作，并直接將各種大型的、復雜的、不規則的、標準或非標準等實體或場景的三維數據完整的采集到電腦中，它所采集的三維激光點云數據還可以進行各種后處理工作，為邊坡的穩定性評價、防治工程設計和滑坡治理提供決策依據。

參考文獻

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作者簡介：龍志（1989-），男，碩士研究生，研究方向：水利工程。