淺析三維激光掃描儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

霍欣杰，崔 磊，蔣國輝，吳大鵬

(1. 廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663； 2. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038； 3. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100089)

天寶測繪解決方案專欄

淺析三維激光掃描儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

霍欣杰1，崔 磊2，蔣國輝3，吳大鵬3

(1. 廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663； 2. 北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038； 3. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100089)

隨著科技的飛速發(fā)展，近年來發(fā)展成熟的三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測工作中，其具有快速、自動(dòng)化、高精度、非接觸、直接獲取監(jiān)測對象表面三維數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，且可以解決現(xiàn)有常規(guī)邊坡監(jiān)測手段的效率低、人力成本高、安全隱患高、以點(diǎn)帶面等缺陷。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介及其適用性分析

1.1 三維激光掃描簡介

三維激光掃描技術(shù)是繼衛(wèi)星定位系統(tǒng)后，測繪領(lǐng)域又一項(xiàng)技術(shù)技術(shù)革命和突破。它是利用掃描儀對目標(biāo)發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和接收的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)距離，再結(jié)合水平方向和垂直方向的距離和角值即可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這些三維坐標(biāo)以點(diǎn)云的方式存儲，而點(diǎn)云的實(shí)質(zhì)是大量的矢量點(diǎn)。通過軟件對這些點(diǎn)云進(jìn)行相應(yīng)處理后，可得到被測對象的三維幾何模型。通過對不同期的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可得到被測對象的變形數(shù)據(jù)。

1.2 適用性分析

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)分析方式

三維激光掃描技術(shù)是以百萬點(diǎn)/秒的掃描速度(典型測量時(shí)間約為5 min)，快速、高精度、大范圍地掃描目標(biāo)物體以獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析時(shí)，在大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)中進(jìn)行篩選、比對，得出變形數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況劃定變形斷面。這種數(shù)據(jù)獲取方式和數(shù)據(jù)分析方式與傳統(tǒng)測量方式相比更加客觀，避免了以點(diǎn)代面。

1.2.2 自動(dòng)化程度

三維激光掃描技術(shù)的自動(dòng)化程度主要涉及外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析兩個(gè)方面。外業(yè)方面，高精度的控制網(wǎng)目前仍需要人工干預(yù)，掃描過程由三維激光掃描儀按照預(yù)設(shè)程序自動(dòng)運(yùn)行；內(nèi)業(yè)方面由專用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析、比對。

1.2.3 誤差分析

1.2.3.1 誤差來源

三維激光掃描技術(shù)的誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

系統(tǒng)誤差的大小是由三維激光掃描儀自身?xiàng)l件決定的，如激光的發(fā)散度、旋轉(zhuǎn)棱鏡的精度、雙軸補(bǔ)償精度等。其中激光的發(fā)散度決定了三維激光掃描儀的有效測程，隨著距離的增加，激光發(fā)散度不斷增加，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度也隨之降低。應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測的三維激光掃描儀，一般要求100 m范圍內(nèi)單點(diǎn)定位精度應(yīng)達(dá)到1 mm，重復(fù)測量精度應(yīng)在0.5 mm以內(nèi)。以Trimble TX8型激光掃描儀為例，其測程最大可達(dá)到300多米，測距精度可達(dá)到1 mm。

偶然誤差具有隨機(jī)性，比較復(fù)雜，但一般可歸結(jié)為測距誤差、測角誤差和外界環(huán)境引起的誤差3類。其主要影響因素有激光測距原理，三軸誤差和外界溫度、氣壓等。

此外，目標(biāo)物體的顏色、傾斜也會(huì)對測量誤差造成影響。一般表現(xiàn)為，物體顏色明亮的物體測量誤差相對較小；物體傾斜影響激光入射角越大則誤差越大。

1.2.3.2 減小誤差的措施

(1) 增加掃描儀設(shè)站點(diǎn)：一是可以減小掃描距離，從而降低激光發(fā)散度；二是可以減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度。

(2) 提高控制網(wǎng)精度。一個(gè)工程往往需要布設(shè)幾個(gè)測站，從而獲得被測物體的高精度三維掃描數(shù)據(jù)，這些測站測得數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后期拼接，即對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，不同期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)又需要進(jìn)行比對，從而獲得變形數(shù)據(jù)。提高控制網(wǎng)精度的意義在于減小點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)產(chǎn)生的誤差，減小重復(fù)觀測中因控制網(wǎng)誤差對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響。一般可使用高精度全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行控制測量，獲得高精度的控制網(wǎng)數(shù)據(jù)。

(3) 提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度。該方法主要是選擇合適的拼接算法和拼接方法。如邊坡較小，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量不是很大，一般可通過搜索點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)進(jìn)行拼接。如邊坡工程較大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較大，在超千萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中搜索同名點(diǎn)云是非常耗時(shí)的，因此可在被測目標(biāo)上提前安置一定數(shù)量的反射標(biāo)靶，以反射標(biāo)靶作為拼接的基點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，可有效地減小拼接工作量。

2 與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的對比

傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法一般有：前方交會(huì)法、極坐標(biāo)法、幾何水準(zhǔn)測量、GPS法等。這些監(jiān)測方法在操作簡易程度、測量精度、工作量、自動(dòng)化程度、數(shù)據(jù)的客觀性方面各有所缺，難以兩全。與其相比，三維激光掃描技術(shù)幾乎解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的所有難題。其主要對比情況見表1。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法均是以預(yù)設(shè)變形點(diǎn)位的變形代替整個(gè)邊坡的變形，其數(shù)據(jù)客觀性大打折扣。而三維激光掃描技術(shù)很好地解決了這一問題，同時(shí)又兼顧了精度、操作便捷性和自動(dòng)化等幾個(gè)方面。

表1 三維激光掃描技術(shù)與其他監(jiān)測方法的比較

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 控制測量

控制網(wǎng)由3個(gè)帶有強(qiáng)制對中裝置的基準(zhǔn)點(diǎn)和3個(gè)工作基點(diǎn)構(gòu)成基準(zhǔn)網(wǎng)。首先，使用高精度全站儀(1″級)和水準(zhǔn)儀(DS05級)按照《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)中變形監(jiān)測二等精度施測；其次，為便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，在邊坡顯著位置布設(shè)3個(gè)反射標(biāo)靶。

3.2 數(shù)據(jù)采集

該邊坡工程主要使用全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，使用Trimble TX8型激光掃描儀同步觀測2期(首期和末期)。為獲得邊坡的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別在3個(gè)工作基點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀對邊坡進(jìn)行掃描，每個(gè)測站獨(dú)立掃描2次。

3.3 數(shù)據(jù)處理及分析

數(shù)據(jù)處理和分析使用RealWork軟件進(jìn)行。首先對采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和去噪，目的是去除冗余信息和噪音數(shù)據(jù)；然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接(如圖1所示)，三維建模；最后將多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，得出邊坡的變形情況。

3.4 數(shù)據(jù)對比

本次全站儀極坐標(biāo)法和三維激光掃描獲取的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)比對見表2。

表2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

圖1 拼接后局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過本次比對試驗(yàn)可以看出，三維激光掃描與極坐標(biāo)法獲取的變形數(shù)據(jù)基本一致，發(fā)現(xiàn)的最大變形點(diǎn)位相近。經(jīng)實(shí)地勘查，WY3點(diǎn)附近存在一條輕微裂縫，裂縫長度約為4 m，裂縫最大寬度約為10 mm，位于WY3點(diǎn)西側(cè)約3 m的位置。說明本次三維激光掃描數(shù)據(jù)客觀、真實(shí)，三維激光掃描技術(shù)適用于邊坡變形監(jiān)測工程。

4 結(jié) 語

本文通過分析三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測工程中的適用性，對比傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)可知，三維激光掃描技術(shù)完全可以應(yīng)用在邊坡變形監(jiān)測領(lǐng)域，并且解決了傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法以點(diǎn)代面、工作效率低、工作成本高等缺陷，是具有代表性的技術(shù)革新。