三維激光掃描儀在地質災害地面形變監測中的應用

和　璇，崔　佳，趙　玉

（1.云南省基礎測繪技術中心，云南　昆明　650000；2. 云南省測繪產品檢測站，云南　昆明　650000）

三維激光掃描儀在地質災害地面形變監測中的應用

和璇1，崔佳1，趙玉2

（1.云南省基礎測繪技術中心，云南昆明650000；2. 云南省測繪產品檢測站，云南昆明650000）

三維激光掃描技術是一種廣泛應用于各個領域的激光測量技術，在地質災害中更展現出獨特優越性。文章首先介紹了三維激光掃描技術以及三維激光掃描儀，然后分析了三維激光掃描技術的優勢，并且簡述了作業流程以及形變分析算法，最后提出了目前存在的一些局限性。

三維激光掃描儀；地面形變監測；形變分析

自20世紀80年代三維激光掃描技術興起之后，三維激光掃描測量法逐漸應用于形變監測，成了地質災害地面形變監測的一種新方法、新技術。三維激光掃描儀通過獲取災體的三維信息、比對不同時間采集點云數據集，高精度、高效、大面積的得到災體形變趨勢。

1　三維激光掃描技術

“三維激光掃描技術，又稱‘實景復制技術’，被公認為繼經緯儀、全站儀系統、攝影測量系統、GPS技術后測繪領域的又一項技術革命”［1］。目前該技術已作為一種快速獲取空間點云數據的有效手段。

隨著硬件技術的日趨成熟，三維激光掃描儀的性價比不斷提升，其種類、功能和性能指標也不盡相同，測程范圍從1～1000m，測距精度從0.4～20mm，測量速度也從最初的1000點/s提升到50 000點/s，120萬點/s。市場上的三維激光掃描儀就有上百種，包括常見的徠卡、Z+F、雷格、法如、天寶等。根據搭載平臺不同三維激光掃描儀可分為機載三維激光掃描儀、地面三維激光掃描儀和手持三維激光掃描儀；根據測距原理不同又分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。

2　三維激光掃描技術應用于地質災害地面形變監測的優勢

三維激光掃描技術從傳統的單點測量發展到面測量。高精度、高密度、高速度獲取被監測區域形變細節和整體形變趨勢，克服了單點式監測中監測點數少、難以發現無監測點區域的形變情況以及監測點一旦破壞將嚴重影響資料連續性等問題。

三維激光掃描技術有如下優勢：

（1）非接觸性。傳統的單點式監測中監測的有效性依賴于監測點的設置，一旦監測點遭到破壞將影響到最終結果，而三維激光掃描技術在不設置監測點的情況下，可真實可靠的獲得災害體的三維坐標信息。

（2）高速度、高精度、高密度。三維激光掃描技術采集數據速度非常快，采樣點的速度可達5萬點/秒，大大提高了大面積災害體的空間信息獲取速率。同時采用點陣和格網的數據采集方式可獲取高密度、高精度、分布均勻的災害體點云數據。

（3）實時、動態、主動性。三維激光掃描技術可全天候實時作業，不需要外部光源，主動發射信號，通過探測回波信號得到災害體信息。這一特點使其在面對突發性地質災害時可迅速響應，高效作業，及時獲取測量災害體的三維信息。

（4）穿透性。由于三維激光掃描的采樣間距比較小、采樣密度比較大，當災害體表面存在不太濃密的植被覆蓋時，仍有一部分激光能夠到達災害體表面，經過有效的點云去噪，可獲取災害體表面信息。

（5）數字化、自動化。三維激光掃描技術采集的數據是數字坐標信號，它具有全數字化的特征，可靠性好，自動化程度高，易于數據的后期處理、格式轉換及數據輸出。

（6）能與GPS系統結合。通過GPS布設控制網將三維激光掃描獲取的災害體相對坐標轉換為實用坐標，得到高精度的實用坐標系下的三維模型。

3　三維激光掃描儀地質災害地面形變監測作業流程

三維激光掃描儀通過對形變區域進行周期性掃描，對比不同期次的三維信息進行形變監測。一般情況下可將基于三維激光掃描儀的地質災害地面形變監測分為現場勘查；數據采集；成果輸出與分析比對3個主要步驟。

根據監測區域概況、要求等進行現場勘查，確定采集設備及作業方式。區域概況包括位置、大小、形態等，同時排除可人為去除的干擾，減少人為誤差的引入。為了得到統一坐標系下的三維激光掃描數據成果，還需要埋設用于設站和定向的控制點。控制點應選在各點之間能夠相互通視且較穩固的地方。對于有條件布設監測點的區域在形變較為嚴重、突出的地方布設監測點。若采用基于標靶的點云拼接方式還需確定公共標靶個數和位置，原則上每3個公共標靶按照空間銳角三角形布而且保證每兩個需要拼接的點云數據中包含至少3個不在同一直線上的公共標靶。

數據采集方式可分為“一站式”掃描和“分站—分景”式掃描。掃描站位置應選擇安全、穩定且通視情況良好的區域。選擇“分站—分景”式掃描在保證獲取數據完整的前提下，選擇較少的掃描站數以減少原始數據量和拼接誤差。采用無標靶拼接方式的掃描區域，應保證每兩個需要拼接的掃描區域間至少有60%的重疊度以及盡可能多的特征點，以滿足拼接要求以及成果精度。在選定的測站上架設掃描儀，調整好掃描儀方向和傾角，嚴格對中整平，并量取儀器高，連接好掃描儀、計算機和電源。進行多次定向，將自定義的掃描坐標系下的數據轉換到大地坐標系下。

將采集的數據進行點云配準和拼接、數據處理、三維建模，再將不同期次的數據模型進行分析比對，得出形變結果。點云數據進行粗差剔除、旋轉對齊、多視拼接等操作，若采用基于標靶的拼接方式，在重疊區域均勻地選取公共標靶，根據約束條件，計算整體拼接誤差，拼接誤差過大時應仔細檢查該點坐標的正確性，刪除誤差過大的公共標靶。若采用無標靶拼接方式，在重疊區域盡量選取特征點，以減小拼接誤差。數據處理時先要手工去除由災害體及周圍一些無關的雜草、樹木、建筑物、電桿等造成的無關點云噪聲點。去噪過程應遵循“少去除多視角”的去除方法，避免刪除真實的有效點云數據。再對手工去噪后的數據進行點云濾波，過濾其他隱含噪聲點且降低點云密度。點云濾波應選擇保持原始數據形態，地形改變量較小的方式，以減少對有用點云的剔除保證點云數據的精度。選擇合適的算法，通過自動化軟件平臺進行三維建模，用獲取的點云強度信息和相機獲取的影像信息對模型進行紋理細節的描述，獲得災害體真實的三維立體影像。

4　形變分析方法

三維激光掃描儀常用的形變分析方法主要有基于曲面擬合的形變分析方法、基于ICP配準算法的形變分析算法和基于數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的形變分析方法。

曲面擬合是指利用部分實際的試驗數據，求出一個解析式，使所有的試驗數據通過或分布在該解析式所表示的一個空間曲面內。實現曲面擬合的算法有很多，其中最常用的是基于最小二乘法的曲面擬合算法，該算法具有精度高，擬合曲面平滑的特點，但是運算較復雜，運算量相對較大，最小二乘法是一種逼近理論，基于最小二乘法的曲面擬合通過不斷迭代，使擬合曲面的樣點值與真實值之間差的平方和逼近最小，得到最接近實際的擬合曲面。基于曲面擬合的形變分析方法通過計算相鄰擬合平面法向量夾角的變化或不同期次兩個面之間的夾角變化得出形變趨勢和變化量。在地質災害地表形變監測中，三維激光掃描儀利用獲取的點云數據通過比較擬合中誤差和夾角變化作為衡量地表形變的指標。

ICP配準算法也叫迭代最近點算法，其基本原理是將參考點集經過一系列坐標變換，轉換到與目標點集同一坐標系下，找到參考點集中每一個點與目標點集中距離最近的點，建立最近對應點對關系，計算最近點對的距離的平方和，利用最小二乘法，迭代算出最優坐標轉換。基于ICP配準算法的形變分析將第一期掃描數據作為參考點集，與之后的多期數據分別進行配準，配準殘差作為形變指標，通過與設定的殘差閾值進行比較獲得形變量，衡量相對形變量。

基于DEM模型的形變分析方法通過比較DEM模型來衡量形變量。三維激光掃描儀獲取的點云數據通過拼接、去噪等數據處理，構建DEM模型，在同一坐標系下，以前期的DEM作為參考，對后期的DEM做內差計算，不同DEM模型相同水平坐標的高程差即為形變量。

5　三維激光掃描儀在地質災害地面形變監測應用中的局限性

在地質災害地面形變監測中三維激光掃描儀仍然存在一些局限。首先，作為形變監測的數據獲取手段三維激光掃描儀的精度就顯得格外重要。事實上，測距、大氣、分辨率、目標材質、測量時間甚至溫度等都會影響到成果精度，根據目前的精度檢較手段，三維激光掃描儀自身和精度的檢較存在一定困難。其次，地質災害多發區域普遍存在地形復雜、植被覆蓋復雜等問題，雖然相比傳統的測量手段，三維激光掃描儀非接觸性、自動化等特點有效地解決了監測點穩定性、監測人員安全性等問題。但是三維激光掃描技術精度、測距與掃描速率存在明顯矛盾關系，在保證測量精度的情況下測距限制了架站位置。最后，由于掃描角度的限制，部分災害體無法掃描完整，盡管各類基于移動載體的三維激光掃描儀在一定程度上擴大了三維激光掃描儀的使用范圍，但是提高三維激光掃描儀的測距與掃描角度范圍才是解決其應用瓶頸的根本辦法。

［1］雷利元，張笑，席小慧，等.三維激光掃描技術在海洋領域中的應用現狀與前景展望［J］.氣象水文海洋儀器，2015（2）：117-120.

［2］劉雨鑫.地面三維激光掃描點云數據處理及應用［D］.成都：成都理工大學，2015.

3D laser scanner application in surface deformation monitoring

He Xuan1， Cui Jia1， Zhao Yu2
（1.Basic Surveying and Mapping Technology Center of Yunnan Province， Kunming 650000， China；2.Yunnan Provincial Surveying and Mapping Product Testing Station， Kunming 650000， China）

3D laser scanning technology is a kind of laser measurement technology which widely used in various felds especially in geological disasters in recent years. This paper introduced the 3D laser scanning technology and 3D laser scanner in the frst place， and then analyzed the advantages of 3D laser scanning technology， describing the work fow and deformation analysis. At last， it put forward the limitations of 3D laser scanner.

3D laser scanner； surface deformation monitoring； deformation analysis

和璇（1989— ），女，云南麗江，碩士；研究方向：激光掃描測量技術。