基于三維激光掃描的邊坡變形數據提取研究

楊　帆，李龍飛，吳　昊

(遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

?

基于三維激光掃描的邊坡變形數據提取研究

楊帆，李龍飛，吳昊

(遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

摘要：以北京市門頭溝區尾礦邊坡為例，運用三維激光掃描技術對尾礦邊坡進行研究。通過對不同時段采集的點云數據處理，形成相應時段尾礦邊坡三維模型。采用等高線比較、三維質檢軟件比較，提取出邊坡變形數據。三維激光掃描技術使滑坡體測繪從傳統的GPS或者全站儀單點數據采集變成連續密集的自動獲取海量點云數據，增加了測繪信息量。三維激光掃描技術不僅提高測量精度和數據采集速度，且使工作效率實現大幅度的提高。

關鍵詞：三維激光掃描技術；點云；邊坡；變形監測

我國是一個地質災害頻發的國家，滑坡是地質災害中最為常見的一種，關于邊坡變形監測的研究工作尤為重要，研究成果也直接關系到國家的利益。近些年，關于三維激光掃描技術的研究成果很多，三維激光掃描技術也應用于邊坡的變形監測之中。在國外歐美的掃描儀精度已經達到了微米級別，而且為真彩色掃描，邊坡信息可以很完整的被表達出來。在國內三維激光掃描技術快速地應用于各種工程中，在2008年汶川地震后，三維激光掃描技術被應用于防治地質滑坡。2011年三維激光掃描技術被應用于沙丘變形監測，用于防治沙塵預報。

邊坡變形監測工作可以分為兩類：①點式監測(GPS、全站儀等)；②面式監測(攝影測量與遙感、Insar、激光掃描測量等)。點式測量精度相對高，但數據少，有局限性。面式監測數據量龐大，更為全面地反映了邊坡變形，而且自動化程度高。相對于其他傳統的監測方法，地面三維激光掃描技術更為有效，方便。

1三維激光掃描技術原理與方法

1.1三維激光掃描儀概況

三維激光掃描儀主要包含4個系統，其中包括：激光測距掃描系統、支架系統、數字攝影測量系統、儀器內部校正系統。

三維激光掃描儀的工作過程與原理：發射體觸發發射激光脈沖，激光脈沖通過兩塊有序快速旋轉的反光鏡，接著按一定次序掃過目標區域。因為三維激光掃描儀有不同的種類，所以其工作原理也不盡相同，三維激光掃描儀大體來說有3種：①脈沖測距法；②相位測量測距法；③激光三角測距法。通過時間計算相關距離，除此之外編碼器還會量測脈沖角度，經過計算獲得目標的坐標。

三維激光掃描儀用脈沖從發射到接收的時間乘以傳播速度求得目標與儀器的距離Sp，然后再根據時鐘編碼器在同一時間測量出每條脈沖的水平掃描角度φ和豎直掃描角度ω。即可以得到點的三維坐標

1.2數據處理方法

獲得點云數據之后為得到好的三維模型需要對點云數據進行處理，處理過程包括數據配準、數據去噪和數據拼接。點云數據配準是把不同測站掃描得到的點云數據統一到同一個坐標系統下。點云數據去噪是將沒用的點云數據去掉保留有用數據的過程，目的是為了生成準確的三維模型。點云數據拼接將不同站位的數據拼接到一起生成完整點云數據的過程。在數據處理過程之中，點云拼接最為關鍵，點云拼接有幾種方式，不同的方式會影響拼接精度。

2三維激光掃描儀數據采集過程及點云數據處理與建模

2.1準備工作，選擇合適的掃描儀和必要的工具

所用三維激光掃描儀具體參數如表1所示。

2.2對掃描區域進行踏勘

根據地形條件初步定出設站位置。此次掃描對象為門頭溝一個尾礦的邊坡，環境較為復雜。為保證數據的完整性，同時為了避免數據重疊，總共設6站，每一測站布設4～6個反射片(反射片其中心是直徑為2 mm的特殊材質的激光反射點)。反射片位置必須穩固，不易移動。用GPS測出第一個測站每一個反射片的中心坐標。最后對監測區域進行高精度掃描。相隔一個月(第二次掃描前一天有雨)，使用相同的儀器，設置同樣的精度，用同樣的方法對監測區域進行第二次掃描。

表1　Riegl VZ400參數(來自Riegl公司)

2.3點云數據處理及建模

分別對第一次掃描過程和第二次掃描過程的點云數據進行處理。點云數據處理包括數據配準、數據去噪和數據拼接。本實驗所用軟件為Cyclone8.0。數據配準主要是根據第一測站的精準的大地坐標，把幾個反射片中心坐標導入到Cyclone8.0中，使第一測站是具有大地坐標的測站。數據去噪過程是把非邊坡部分去掉，在實驗中非邊坡部分主要包括電線桿、房子和樹木，最后用軟件進行拼接。根據在掃描過程中放置的反射片的中心進行點云的拼接。拼接過程中必須保證每兩個測站有3個以上的公共點。拼接的誤差可以在Cyclone中的registration窗口中可以查詢到，若registration窗口中誤差較大要及時調整拼接公共點，若registration窗口中誤差較小但拼接效果不好，此時需要重新設置反射片位置，保證最少有3個反射片構成的空間三角形面積適中，空間三角形面積過大或者過小都會影響到拼接結果。另外拼接過程中，需要盡量使每兩個測站都有公共的反射片，這樣拼接數據量就會變大，約束條件也會多。最終拼接結果如圖1、圖2所示。

圖1　第一次掃描結果

圖2　第二次掃描結果

3邊坡變形信息提取

3.1提取兩次掃描的等高線數據

本文將掃描點云去噪，然后在cyclone軟件中

進行抽稀，抽稀的目的是為降低運算量，接著把點云生成mesh，最終用根據三維mesh模型進行插值運算，找到高程相同的點，連線生成等高線。點云數據量巨大可以很完全地表達邊坡的表面特征，而傳統等高線生成所利用的數據較少，三角網插值誤差較大，一些邊坡的信息并不能由傳統等高線來表達出來。利用點云等高線生成方法相對傳統等高線生成方法精度大幅度提高。實驗數據中經過抽稀得到的數據，點平均間距0.5 m，相對于傳統測量方法，有無可比擬的優勢。

根據點云生成的等高線密度很高，如圖3、圖4所示?？梢院芫毜乇磉_地形特點、地質的構造形態和斷層發育情況及其在空間的延伸變化規律。高密度的等高線是分析、判斷、預測地質構造形態及規律，編制地質剖面圖的基礎材料。

3.2用三維質檢軟件提取變形信息

為了更為直觀地得到邊坡的變形信息，實驗使用了Geomagic Qualify軟件，十分直觀地對兩個三維模型進行了對比。以第一次掃描模型當成參考對象，第二次掃描當成結果對象。用不同的顏色代表不同的變形值，正值代表增大，負值代表減小，如圖5所示。

圖3　第一次掃描等高線

圖4　第二次掃描等高線

圖5　由qualify產生的邊坡變形信息

4結束語

本文研究了基于三維激光掃描技術的從點云信息中提取邊坡變形信息的理論與方法。應用點云處理軟件cyclone對點云進行了處理與封模，并且生成了高密度的等高線。應用三維質檢軟件geomagic qualify對變形信息進行了三維可視化的提取。實驗結果顯示，三維激光掃描技術應用于邊坡變形監測的巨大優勢。目前三維激光掃描技術還處于一個發展階段，有很多問題需要去解決，但是越來越多的事實證明三維激光掃描技術的前景會越來越寬廣。

參考文獻：

[1]趙小平，閆麗麗，劉文龍.三維激光掃描技術邊坡監測研究[J].測繪科學，2010,35(4):25-27.

[2]楊帆，董景利，薛偉，等.三維激光掃描技術及其相關軟件在建模方面的應用[J].地礦測繪，2012，28(3)：21-23.

[3]邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術應用于邊坡位移監測[J].地理空間信息，2011，9(1)：68-70.

[4]李建輝，王琴.三維激光掃描技術應用于滑坡體地形可視化的研究[J].測繪通報，2012(10)：51-54.

[5]張慶圓，孫德鴻，朱本璋，等.三維激光掃描技術應用于沙丘監測的研究[J].測繪通報，2011(4)：32-34.

[6]黃姍，薛勇，蔣濤.三維激光掃描技術在地質滑坡中的應用[J].測繪通報，2012(1)：100-101.

[7]徐源強，高井祥，張麗，等.地面三維激光掃描的點云配準誤差研究[J].大地測量與地球動力學，2011，31(2)：129-132.

[8]SCOTT M A.Ultra-rapid 2-D and 3-D laser microprinting of proteins[D].Massachusetts Institute of Technology，2013.

[9]COVIELLO V，CHIARLE M，ARATTANO M，et al.Monitoring rock wall temperatures and microseismic activity for slope stability investigation at JA Carrel hut，Matterhorn[M]//Engineering Geology for Society and Territory-Volume 1.Springer International Publishing，2015:305-309.

[責任編輯：劉文霞]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.001

收稿日期：2015-06-02

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50604009)；遼寧省“百千萬人才工程”人選資助項目(2010921099)

作者簡介：楊帆( 1972-)，男，教授，博士.

中圖分類號：TP751

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)10-0001-04

Research on the data extraction method of slope deformation monitoring based on 3D laser scanning technology

YANG Fan，LI Longfei，WU Hao

(Schhol of Mapping and Geographic Sciences,Liaoning Technical Universit，Fuxin 123000，China)

Abstract：This paper takes the tailings slope of Mentougou District of Beijing City as an example，and studies the tailing slope by using 3D laser scanning technology.By processing the point cloud data of different time，the 3D model of the tailings slope is formed.The deformation data of the slope is extracted by comparison of the contour and 3D quality software.3D laser scanning technology makes the landslide mapping turn from the single point data of traditional GPS or total station instrument data acquisition into automatic acquisition of intensive data,which can increase the amounts of information in surveying and mapping.The 3D laser scanning technology not only improves the precision and speed，also the work efficiency is greatly improved.

Key words：3D laser scanning technology;point cloud;slope;deformation monitoring