三維激光掃描技術在公路邊坡監測中的應用

宋禮德（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400060）

三維激光掃描技術在公路邊坡監測中的應用

宋禮德（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶400060）

三維激光掃描技術以其快速、精確、非觸主動測量等優勢，針對此，提出利用三維激光掃描來對邊坡的滑坡情況進行監測，為了提高滑坡監測的精度和可靠性。本文簡要介紹了三維激光掃描技術的工作原理，闡述了其在公路邊坡監測中的具體應用。

三維激光掃描技術；公路邊坡；監測

1 引言

傳統的測繪方式存在著“以點帶面”的局限性，影響著數據分析的準確性。三維激光測量技術的出現克服了傳統測量的局限性。它不僅能夠量取被測對象的長寬高，還能夠對對象進行無接觸掃描，可以將所掃描到的空間信息快速轉換成計算機可以處理的數據。公路邊坡監測是一種重要的工作，三維激光掃描技術的應用可以彌補傳統測量方式的弊端，提升測量的科學性和有效性。

2 三維激光掃描技術的工作原理

三維激光掃描技術又被稱為“實景復制技術”，實質上是一種新型的測量模式。作為一種技術性手段，主要采用激光掃描的方法對目標物體進行測量，獲取物體表面的三維坐標數據，結合空間點位信息，建立物體的三維影像模型。三維激光掃描儀工作原理為借助測距系統獲得每個掃描點和掃描儀之間的距離數值，并使用精密時鐘控制編碼器測角系統獲得每個激光束相對一起坐標系的水平角α以及垂直角（圖1）。按照公式（1）計算出每個掃描電和掃描儀空間相對三維坐標數值，分別標記為Xp、Yp、Zp，在掃描過程中可以通過自身的垂直以及水平馬達等設備，實現對目標物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點云數據。

圖1 三維激光掃描工作原理示意圖

3 三維激光掃描技術在邊坡測量中的應用

3.1 數據采集

三維激光掃描儀由于受視場角限制，為獲取整個物體表面的數據，需要從不同視角進行多次掃描，完成各掃描站之間的數據配準。在掃描中，為了獲取點云精確空間位置信息，應將三維激光掃描儀的攝站位置安置在三等導線點及二級三角點上，選擇遠距離三等導線點作為后視點，對公路邊坡表面進行360°全方位掃描，使用隨機控制器記錄掃描數據。三維激光掃描儀的掃描距離是影響掃描精度的關鍵因素。盡管掃描距離的增加可以增大掃描范圍，減少設站次數，然而采集的數據精度也隨著距離的增加而遞減。

3.2 數據處理

在三維數據處理過程中，數據去噪較為重要。因為激光掃描儀自身具有一定的局限性，且在掃描過程中會受到外界環境的影響，掃描目標會得到阻擋以及遮掩，生成的數據通常會有大量的噪聲點，其會對數據的后期處理造成較大影響，同時也會降低變形監測的精度，這也就增加了變形探測的難度。所以為了獲取目標物體信息的最佳值，需要對掃描獲得的原始數據中的干擾地物進行處理，避免其對于后期的粗差剔除造成影響。在剔除噪音數據后需要進行深化處理，排除帶有粗差數據信息以及無效的形體信息。

3.3 邊坡位移監測成果報告

3.3.1 邊坡位移預警

可以使用三維激光掃描技術對邊坡進行監測，及時發現和預防滑坡、泥石流災害的發生。通過三維成像可以清晰看見土坡的前后變化，作為地質工作人員，需要對地質三維視圖的變化以及土坡的安全穩定性進行比較分析和評價，若出現較大位移則需要立即撤離，并停止道路通行。

3.3.2 監測頻率

項目監測頻率會受到外部環境的影響，如地段的危險性和氣候條件。在雨季中需要增加監測的次數，通常來說一個季度監測次數定位1較為合理，對于雨季則需要一個月監測1次。若發生暴雨，在條件允許的情況下需要跟蹤觀測，及時發現問題及時解決，并及時安排人員撤離，維護人民的生命安全。

3.3.3 監測精度

三維激光掃描技術具有精確度高的特點，因此，在測量過程中，要嚴格按照規范進行操作，降低誤差的發生率。在測量中，三維激光掃描技術的誤差有具體的規定。①測量過程中，控制點的測量誤差范圍為±2mm；②點云拼接精度為±1mm；③數據處理比較過程中，線、面各自的比較時，點云擬合精度為± 1mm；④測量過程中，不可避免的會受到人為或天氣的影響，總體的誤差范圍為＜6mm。總之，在檢測、處理數據時，要嚴格按照規范操作，盡可能的利用相同的作業條件、減少通車及噪音數據的影響，提升監測的精度。

4 實例分析

本文采用Riegl-VZ400掃描儀對某公路邊坡進行兩期掃描，第一期掃描是在2015年10月，第二期是在2015年12月，掃描儀的位置位于邊坡體的對面，掃描平均距離為40m，為了估計所計算變形提取閾值的可靠性，在邊坡沒有發生滑坡的情況下對其進行兩次重復掃描，并利用塊狀物體在邊坡體上模擬一處滑坡，該物體的厚度為0.05m，掃描過程中設置的掃描間隔為8mm。根據Riegl-VZ400掃描儀技術參數，計算變形提取的閾值為0.0136m。利用第3節變形提取方法對沒有發生滑坡的邊坡體進行分析，提取的邊坡點位限差分布。邊坡在沒有發生滑坡的情況下，點云點位誤差主要集中在[0，0.014]m之間，最大限差為0.014m。在連個月之后對該邊坡進行了二次掃描，在本次掃描前受到了雨水的侵蝕，尤其是在2015年10中下旬有兩次暴雨，對邊坡造成了較大損壞，在11月中旬又經歷過小雨的侵蝕，最終導致邊坡沖蝕以及邊坡滑坡的發生。根據該邊坡體的滑坡實際情況來看，邊坡的變形分布具體如圖2所示。由圖2可知，計算出的最大變形量為0．3839m，圖中橢圓形區域是邊坡體發生的主要滑坡區域，其中白色箭頭為滑坡發生方向，矩形區域是模擬的滑坡區域，依據右邊的變形值柱狀圖可知，模擬變形主要集中在0.036m周邊，實際發生的滑坡值為0.05m，造成這一問題的主要原因是點云自身有0.014m的限差誤差。該滑坡體共有4處，主要原因為雨水沖蝕，與此同時由圖2中的橢圓形以及圓形滑坡區域可知，可以使用滑坡提取法對滑坡的發生位置以及發生區域進行計算，并且明確滑坡的體積以及方向。

5 結束語

計算機技術的發展，推動了三維激光掃描技術的出現及應用。在公路邊坡監測中，采用三維激光掃描技術，通過對三維點云數據的獲取和處理，分析邊坡的位移情況和趨勢。同時，三維激光掃描技術不需接觸測量，不需事先埋藏檢測設備，降低工作人員的工作量和危險系數，提升監測的速度和精確度。因此，三維激光掃描技術具有先進的技術優勢應用前景廣闊。

[1]邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術應用于邊坡位移監測[J].地理空

圖2 提取的滑坡變形區域

間信息，2011，09（1）：68～70.

[2]李 健，胡書橋，鄧增兵.基于綜合改進ICP算法的三維激光掃描技術在露天礦邊坡測繪中的應用[J].煤田地質與勘探，2012，40（1）：51～54.

[3]藍紫堅.三維激光掃描技術在邊坡災害治理工程中的應用[J].廣東科技，2010，19（4）：91～92.

U416.14

A

2095-2066（2016）36-0230-02

2016-11-8

宋禮德（1971-），男，高級工程師，本科，主要從事高速公路項目勘察設計管理及勘測新技術應用研究工作。