三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

邱平武

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊 湖南長沙 410129）

三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用

邱平武

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊 湖南長沙 410129）

三維激光掃描技術(shù)是一種新型的激光測量技術(shù)，具有高速度、高精度、高密度的特點，能夠有效獲取物體表面的三維空間坐標(biāo)，且無需接觸被測物體，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于滑坡變形監(jiān)測中。本文主要從三維激光掃描測量的工作原理入手，并對滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取和采集的相關(guān)內(nèi)容進行分析，僅供參考。

三維激光掃描測量；滑坡監(jiān)測；數(shù)據(jù)獲取

1 引言

目前，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決滑坡數(shù)據(jù)獲取和采集提供了有效途徑和手段，其不僅能快速實現(xiàn)坡體的數(shù)字化，還可通過激光掃描獲取目標(biāo)的深度圖，并將其轉(zhuǎn)化為坡體表面三維信息，增強工作人員的代入感。同時，利用三維激光掃描技術(shù)所開展的滑坡監(jiān)測工作，有利于減少人員的勞動強度，縮短作業(yè)時間，提高作業(yè)效率，彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足。

2 三維激光掃描測量原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、軟件控制平臺、數(shù)據(jù)處理平臺及電源和其它附件設(shè)備構(gòu)成。三維激光掃描技術(shù)的核心是激光反射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元等。通過三維激光掃描技術(shù)可直接對滑坡實體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確采集，從而可快速建立出滑坡實體目標(biāo)的三維模型。

三維激光掃描原理見圖1，在三維激光掃描儀內(nèi)，有一個激光脈沖發(fā)射體和兩個反光鏡同步進行有序旋轉(zhuǎn)。通過對被測區(qū)域進行掃描，可準(zhǔn)確測量出每個激光脈沖從發(fā)出到被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時間，由此可計算出相應(yīng)距離，同時編碼器可對每個脈沖角度進行測量，從而獲得被測物體真實的三維坐標(biāo)。其中兩個連續(xù)轉(zhuǎn)動用來反射脈沖激光鏡子的角度，以此來獲得激光束的水平及豎直方向值；通過脈沖激光傳播的所花的時間可將儀器到掃描點的距離計算出來；掃描點的反射強度可用來給反射點匹配顏色。

圖1 滑坡三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用，可獲得每個測站點的點云數(shù)據(jù)，且點云中每個點的位置信息可在掃描坐標(biāo)系中通過極坐標(biāo)（?ξδ）的形式予以描述。在掃描前，要在被掃描區(qū)域內(nèi)布設(shè)相應(yīng)的掃描控制點，而控制點的大地坐標(biāo)一般可通過GPS、全站儀等手段進行測量，以便點云坐標(biāo)向大地坐標(biāo)的相應(yīng)轉(zhuǎn)換，從而為滑坡監(jiān)測提供可靠通用的數(shù)據(jù)。在獲取數(shù)據(jù)后可利用逆向工程軟件來提取坡體特征，形成滑坡區(qū)域DEM模型，從而為數(shù)據(jù)預(yù)報建模奠定堅實基礎(chǔ)，見圖2。

圖2 三維激光掃描儀在滑坡監(jiān)測中的工作流程圖

3 滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和處理

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)的采集

一個完整的實體掃描過程主要包括數(shù)據(jù)的獲取和處理、點云建模輸出應(yīng)用。針對滑坡地理位置的實際情況采用三位掃描儀對坡體進行大規(guī)模掃描，在掃描過程中可實行“分站-分景”的掃描方式，每站以圓形區(qū)域進行分景掃描，并對所掃描的信息進行處理，以便坡體地面模型的有效提取。采集的三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和結(jié)合后，可對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，剔除無效數(shù)據(jù)，以此來保證滑坡監(jiān)測體地面高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而為DEM模型的建立提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

要保證所獲取的多傳感器數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，其中涉及了較多的技術(shù)環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容為：①深度圖像分割。該技術(shù)的分割方式主要集中在基于區(qū)域的分割上，通過分割可將圖像分成不同區(qū)域，而分割后的結(jié)果有利于對圖像進行更好的處理和分析；②點云數(shù)據(jù)匹配。數(shù)據(jù)匹配的主要目的在于為數(shù)據(jù)定義明確的絕對坐標(biāo)，其匹配過程是在參考點基礎(chǔ)上進行的。在集成應(yīng)用中可選擇GPS或全站儀對參考點的位置信息進行測量，以便對數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性進行檢驗；③點云過濾。掃描過程主要先對垂直方向的線進行掃描，并按照設(shè)定的水平角分辨率水平轉(zhuǎn)動，再對垂直方向的線進行掃描，可見掃描過程具有一定的規(guī)律性。但這種規(guī)律下所得到的點云是無序雜亂的，因此，建模前應(yīng)對點云進行平滑。點云過濾的主要目的是降低點云密度和過濾點云中的噪音點；④數(shù)據(jù)絕對定位及拼接。多視點云拼接是點云數(shù)據(jù)處理的一項關(guān)鍵技術(shù)，即是將各個局部坐標(biāo)系通過相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，從而將多個角度的掃描數(shù)據(jù)合成完整的三維物體。在進行點云數(shù)據(jù)絕對定位基準(zhǔn)時，可通過GPS和全站儀相結(jié)合的方式進行測量，掃描后數(shù)據(jù)點位的誤差范圍控制在2～6mm左右。

3.3 坡體DEM獲取

通過CYCLONE掃描數(shù)據(jù)處理軟件對掃描的雜點進行剔除，確保處理后的掃描數(shù)據(jù)僅存在地表點。用CYCLONE數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可將MP的掃描格式轉(zhuǎn)換為用戶需要的DXF格式。為了保證坡體DEM模型建立的完整性，應(yīng)對各時段DEM的坐標(biāo)系統(tǒng)進行統(tǒng)一，并利用模型求差法對其進行分析。另外，在對相同水平坐標(biāo)點的高程變化情況進行比較時，應(yīng)以初始DEM數(shù)據(jù)作為參考，并對后面的DEM數(shù)據(jù)實行內(nèi)插計算，通過相同水平坐標(biāo)點高程變化情況的比較來分析變形大小。

4 工程實例

4.1 工程概況

某區(qū)域滑坡縱向水平垂直距離為70m，橫向為100m，該滑坡體上部原有四個雨水蓄水池，由于池內(nèi)具有明顯的開裂痕跡，導(dǎo)致其不具備蓄水功能，導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生的主要原因在于雨水長期的沖刷和滲透，使得滑體表面存在大量裂縫，可見，該區(qū)域山體確實存在滑坡跡象。

4.2 控制點、監(jiān)測點的布設(shè)

為了在統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)對采集的監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行比較，以便獲得同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域DEM，在滑體周圍埋設(shè)了用于設(shè)站和定向的控制點，如圖3所示，控制點選DEM。在本次掃描中，只使用了其中的K1、K2控制點，將K1作為基準(zhǔn)點用來加設(shè)儀器，K2作為觀測時需要的定向點。

圖3 控制點及監(jiān)測點分布圖

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)站。由于該滑坡體相對較小，且植被較少，在滑坡體的上下位置均能觀測到監(jiān)測點，因此，在所布設(shè)的K1、K2、K3、K4控制點中，選擇K1來架設(shè)三維激光掃描。另外，為了得到滑坡區(qū)域整體的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將K1控制點作為母站，以作為監(jiān)測點的公共標(biāo)靶為約束條件進行拼接即可得到所測區(qū)域完整的點云數(shù)據(jù)。

（2）定向。在K1控制點上架設(shè)掃描儀，并對儀器高度進行測量，連接掃描儀和電源，將電源打開讓儀器進行自檢；設(shè)置筆記本和掃描儀之間的通訊，并啟動配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫和工程軟件，連接掃描儀并通過所設(shè)置的角度范圍對掃描區(qū)域進行拍照。進行多次定向掃描后，其中高程定向最大誤差為4mm，最小誤差為2mm；水平定向最大誤差為2mm，最小誤差為1mm。

（3）粗掃。針對所拍照片不清晰的區(qū)域可通過對內(nèi)置相機的曝光度進行調(diào)整，可重新獲取；設(shè)置掃描儀的掃描精度為10cm，主距為80㎝；在掃描完每站所能觀測到的監(jiān)測區(qū)域后，進行下一站的掃描。

（4）該監(jiān)測點主要使用的是和三維激光掃描儀配套的藍白標(biāo)靶，在掃描過程中，可通過獲取標(biāo)靶信息的方式進行精掃，即對各監(jiān)測點進行編號，不用對掃描精度進行設(shè)置，可大大提高掃描效率。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

（1）點云拼接。對不同視角和位置的物體進行多次掃描，并將掃描的點云數(shù)據(jù)進行篩選、旋轉(zhuǎn)對齊、多視拼接等操作，完成對不同坐標(biāo)下的點云數(shù)據(jù)向統(tǒng)一坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換的過程，以獲得完整的點云數(shù)據(jù)。

（2）點云預(yù)處理。點云預(yù)處理的主要環(huán)節(jié)是點云去噪，這類噪聲點主要是由于滑坡體周圍的一些雜草、電桿、建筑物等造成的，在對滑坡體進行數(shù)據(jù)采集的過程中，難以避免對周圍多余物體進行數(shù)據(jù)采集。由于物體具有不同的反光率和反光強度，采集的點云數(shù)據(jù)也會呈現(xiàn)不同光澤，這些點會對點云的數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型精度產(chǎn)生影響，因此，必須手工去除。

5 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)可有效保證點云數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性、及時性，可對整個滑坡體地面時刻發(fā)生的變化進行監(jiān)測，可見，三維激光掃描技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，不需事先埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，能夠準(zhǔn)確反映坡體的總體變化趨勢，在滑坡監(jiān)測中具有較好的應(yīng)用前景。

[1]陶茂枕，劉方，王明.三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科海故事博覽·科技探索，2013：56.

[2]王炎城，鐘煥良，石雪冬，等.三維激光掃描測量技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2015（3）：138～141.

[3]石琨，楊桂珍.淺談激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（36）：87.

P642.22

A

1004-7344（2016）32-0189-02

2016-10-16

邱平武（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事測繪工作。