三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究

明國輝（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州350003）

三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究

明國輝
（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州350003）

結(jié)構(gòu)面地形信息采集的精度和效率是工程施工過程中評(píng)價(jià)巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。為進(jìn)一步提高邊坡數(shù)據(jù)采集的效率和精度，論文引入三維激光掃描技術(shù)，通過對(duì)該技術(shù)的原理進(jìn)行闡述和分析，對(duì)地面三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測中的技術(shù)應(yīng)用展開深入研究。

三維激光掃描；高邊坡監(jiān)測；DEM

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.181

1 引言

近年來，新興的地面三維激光掃描技術(shù)為工程施工及運(yùn)營過程中邊坡數(shù)據(jù)的采集和分析提供了新的技術(shù)支持，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測繪方法采樣點(diǎn)少的缺陷。基于此，論文著重分析了三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用過程與方法，以期為邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可靠性提供可靠的技術(shù)保障。

2 三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術(shù)的具體原理如圖1所示。在掃描儀中，兩反光鏡在快速有序旋轉(zhuǎn)的過程中，將脈沖發(fā)射體所發(fā)射的窄束激光脈沖依次對(duì)被測邊坡區(qū)域進(jìn)行掃描，通過對(duì)各激光脈沖從發(fā)出到被測區(qū)域再返回儀器所用時(shí)間對(duì)二者距離進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合編碼器對(duì)不同脈沖角度的測量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可得到被測物體的三維真實(shí)坐標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)兩反射光鏡的角度值，能夠得到激光束水平與豎直方向的值，而后，再通過對(duì)脈沖激光的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，獲得三維激光掃描儀到掃描點(diǎn)的具體距離，由此，得到掃描的三維坐標(biāo)值，而反射點(diǎn)的顏色則由反射強(qiáng)度來決定。

圖1 三維激光掃描原理圖

3 三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合工程邊坡的實(shí)際地理情況，選取Trimble GX200型號(hào)的三維激光掃描儀，將坡體劃分為兩站進(jìn)行大規(guī)模掃描。在掃描過程中，以邊坡的具體長度為依據(jù)，在其對(duì)面位置建站，兩站點(diǎn)分別對(duì)所選區(qū)域進(jìn)行掃描。在確定實(shí)驗(yàn)掃描密度后，繪制出具體的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖[2]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理應(yīng)分別從數(shù)據(jù)圖像分割、點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、點(diǎn)云過濾及數(shù)據(jù)決定定位與拼接等方面進(jìn)行。

1）深度圖像分割。基于區(qū)域的圖像分割能夠?qū)D像劃分為不同區(qū)域，根據(jù)分割后的相關(guān)結(jié)果，能夠?qū)D像進(jìn)行深度處理與分析[3]。

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配。該項(xiàng)工作的最終目的是將點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其納入大地坐標(biāo)系統(tǒng)中予以分析。在轉(zhuǎn)換過程中，標(biāo)志點(diǎn)的匹配方法為：將主次掃描的第一副點(diǎn)云標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行集合，以空間坐標(biāo)點(diǎn)的距離值為依據(jù)，在動(dòng)態(tài)劃分層的基礎(chǔ)上構(gòu)成層嵌套；而后，將逐次掃描開始的首幅點(diǎn)云為基準(zhǔn)，對(duì)其與第二幅點(diǎn)云的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行匹配[4]。

3）點(diǎn)云過濾與數(shù)據(jù)的絕對(duì)定位和拼接。點(diǎn)云過濾的作用主要包括2方面，過濾其中的噪聲點(diǎn)和降低點(diǎn)云密度。在數(shù)據(jù)拼接方面，可引入多視點(diǎn)云拼接技術(shù)，將不同坐標(biāo)系經(jīng)由坐標(biāo)變換處理統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，進(jìn)而將不同角度的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，使其構(gòu)成一個(gè)完整的三維物體[5]。

3.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析通常借助RealWorksSurvery軟件。通常，數(shù)據(jù)分析被分為2個(gè)模式，分別為Registration模式和OfficeSurvery模式.其中，Registration分析模式下，可借助重疊點(diǎn)云部分將一組掃描數(shù)據(jù)同其他掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，若數(shù)據(jù)來源于標(biāo)靶掃描，則應(yīng)先對(duì)其中的配準(zhǔn)實(shí)體進(jìn)行分析，而后，將相關(guān)掃描場景同時(shí)進(jìn)行匹配，進(jìn)而將相關(guān)結(jié)果保存至一個(gè)報(bào)告當(dāng)中，另外，也可利用地理參考工具對(duì)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，存放的位置在已知的坐標(biāo)系當(dāng)中；在 OfficeSurvery模式中，RealWorksSurvery可從云點(diǎn)當(dāng)中提取不同類型的二維圖形，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇并匹配相應(yīng)的二維圖形至點(diǎn)云，從而生成一次或多次正射投影圖，進(jìn)而對(duì)單個(gè)點(diǎn)云的體積進(jìn)行計(jì)算和分析，并生成相應(yīng)的監(jiān)測圖。

4 高邊坡監(jiān)測中三維激光掃描的應(yīng)用實(shí)例

借助掃描系統(tǒng)對(duì)某電廠高邊坡研究區(qū)域進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間為12d，連續(xù)6期，每間隔2d開展一期數(shù)據(jù)的采集。因三維激光掃描儀從某一方向掃描一次即獲得目標(biāo)完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)是比較困難的，故在進(jìn)行各期的掃描時(shí)，均在同一測站采取變換掃描儀的角度的方式，為兩幅掃描影像的獲取提供依據(jù)，并最終獲得6期12幅掃描影像，相關(guān)掃描工作是通過在邊坡對(duì)面300m遠(yuǎn)處地區(qū)設(shè)置相應(yīng)測站予以完成的。還需要說明的是，在被測掃描區(qū)還安裝了2個(gè)圓形標(biāo)靶，為在采用的RealWorks Survey軟件的點(diǎn)云拼接模塊中，對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和對(duì)兩標(biāo)志物中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)位移變化情況的獲取提供便利。在經(jīng)濾波和去噪處理后，利用Registration這一模塊對(duì)相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，根據(jù)第一天掃描數(shù)據(jù)拼接前后的結(jié)果，再利用RealWorks Survey軟件的Modeling模塊予以目標(biāo)三維重建。再對(duì)各期掃描數(shù)據(jù)均進(jìn)行以上濾波、去噪、拼接和三維重建處理，最后，將獲得的6期模型結(jié)果予以直接疊加，再借助OfficeSurvey模塊對(duì)獲取的6期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別予以分析，并以不同顏色對(duì)誤差圖進(jìn)行分類，得到邊坡變形的趨勢(shì)與量級(jí)。

在對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析后得知，該電廠高邊坡總體變形趨勢(shì)相對(duì)平緩，最大位移量為厘米級(jí)。三維激光掃描結(jié)果中，將區(qū)域位移變化量的大小以不同的顏色予以表示，通過對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析確定陡峭區(qū)域所對(duì)應(yīng)的顏色，以此判斷此類地區(qū)為開挖地區(qū)，具有較大的傾斜度，且位移速率變化較大，具有滑坡傾向。此外，根據(jù)平坦區(qū)域所代表的顏色，對(duì)相關(guān)顏色在掃描結(jié)果中所占的面積進(jìn)行觀察和分析，得出此類顏色所對(duì)應(yīng)區(qū)域趨于平坦，位移速率變換較小，相對(duì)平穩(wěn)，故暫時(shí)不具有滑坡趨勢(shì)的結(jié)論。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)三維激光掃描的原理進(jìn)行說明，進(jìn)而分別從三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)獲取、處理以及邊坡DEM提取和形態(tài)描述等方面在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用做出了系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)能夠較為精確地獲得邊坡坡體地面的變化情況，不僅為工程施工建設(shè)的順利進(jìn)行有重要的保障作用，而且對(duì)于后續(xù)工程運(yùn)營管理人員對(duì)邊坡的高效監(jiān)測和管理提供了較大便利。

【1】李健，胡書橋，鄧增兵.基于綜合改進(jìn)ICP算法的三維激光掃描技術(shù)在露天礦邊坡測繪中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，1(15):51-54.

【2】劉文龍，趙小平.基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].金屬礦山，2013，2(4):131-133.

【3】高偉，李愛國，張素情.三維激光掃描技術(shù)在邊坡治理中的應(yīng)用[J].礦山測量，2011，3(18):81-84.

【4】王梓龍，裴向軍，董秀軍，魏小佳，蒙明輝.三維激光掃描技術(shù)在危巖監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2016，1(17):124-129.

【5】李仁忠，劉潔.三維激光掃描技術(shù)在高層建筑變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].重慶建筑，2013，10(24):42-45.

Application of Three Dimensional Laser Scanning Technology in High Slope Monitoring

MING Guo-hui
(Fujian Electric Power Survey&Design Institute,Fuzhou350003,China)

The accuracy and efficiency of the structural surface topography information collection is the key technical difficulty to evaluate thestability of rock mass structure in the process of engineering construction. In order to further improve the efficiency and accuracy of the slope dataacquisition, this paper introduced the 3D laser scanning technology, describing and analyzing the principle of the technique, and then researchedon the ground of technology application of3D laser scanning technology in the monitoring of high slope.

3D lasers canning;high slope monitoring;DEM

P225.2

A

1007-9467（2016）12-0193-03

2016-09-20

明國輝（1976～），男，湖北麻城人，高級(jí)工程師，從事電力工程勘測設(shè)計(jì)研究。