基于三維激光掃描儀的地形變化監測

丁孝銀,肖昭然

（1.河南工業大學，河南 鄭州 450001；2.河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室，河南 鄭州 450001）

三維激光掃描儀可以快速獲取毫米級采樣間隔，獲得實體表面的三維坐標，并通過“點云”的數據形式，存儲在計算機中，可以實現“實景復制”，大大改善了傳統以單點監測地形變化的方法，具有速度快、監測精度高的優勢。對此方面的研究還有待進一步深入，因此，本文基于工程實例，對基于三維激光掃描儀的地形變化監測做了如下分析。

1 工程概述

某快速通道新建工程K64+214～K78+362段，施工工期為2015年3月到2017年6月，其中北側邊坡在2016年8月完成支護，南側邊坡在2017年4月開始正常，預計在2018年6月完成支護。在進行邊坡支護處理過程中，正直雨季大不但增加了支護的難度，而且上部土體發生了多次滑坡現象，對道路施工安全構成了嚴重威脅。在具體邊坡支護中采用三維激光掃描儀對地形變化進行監測，為支護方案的制定提供真實有效的數據依據。

2 三維激光掃描儀組成和系統原理

2.1 三維激光掃描儀組成

整個三維掃描系統由以下幾部分共同組成：1臺激光測距儀；一組激光反射棱鏡；1臺水平方位角控制器；1臺高度角偏轉控制器；1臺數據輸入輸出處理器；1臺數碼相機。

2.2 三維激光掃描儀監測原理

三維激光掃描儀在地形變化監測中，通過激光測距儀發射出一個激光脈沖信號，通過反射棱鏡反射后，進入數據接收器當中，對測量的數據進行綜合分析，即可得出地形變化的實際情況，具體如圖1所述。

圖1 三維激光掃描儀定位原理

為計算P到三維激光掃描儀之間的距離S，通過高度角偏轉控制器先測量出射出激光的橫向和縱向掃描設觀測角度α、β。其中三維掃描儀為自定義坐標，X軸進行橫向掃描，Y軸進行縱向掃描，并與X軸相互垂直。然后借助三角函數，就可計算P點的三維坐標標為：

在地形變化監測過程中應用三維激光掃描儀的方法是通過把兩期數據構建DEM，再對量取的數據進行全方位的對比，獲得二者的差異，在進行對比時，應用到的主要軟件是RiSCAN PRO軟件，兩期數據表面模型之間的距離，通過此種方法就可以得到，二者之間的距離值，就是兩期表面之間的差距，就可以的得到地形變化的具體變形量。

3 三維激光掃描儀在地形變化監測中的具體應用

3.1 測量方案的制定

就案例工程而言，采用了三維激光掃描儀來對邊坡變形量進行進行全方位掃描，由于北側邊坡支護已經完成，只有南側邊坡在進行施工。沉降位移變形已經趨于穩定，南坡和北坡的距離在60～65m之間，在進行地形變化監測時，為保證監測的準確性，在案例工程的南坡設置監測點，同時在和該點對應的北坡布置3個固定墩臺。在進行監測時，把三維激光掃描儀固定的墩臺上，監測三次，就可以獲得被監測點的三維坐標。

由于邊坡在支護過程中，會產生較大的振動，為降低振動對監測的影響，只能在工人休息時進行監測。當三維激光掃描儀監測數據處理完成后，在同樣的位置和角度再利用水準儀和全站儀相互結合的監測方式對南坡的待測點進行科學合理的監測。以全站儀和水準儀測量的結果，來確定三維激光掃描儀監測地形變化的具體情況為保證測量的準確性，全站儀和水準儀測量周期要控制在20天左右，然后把三維激光掃描儀監測的數據和全站儀和水準儀測量的數據進行對比，驗證結果表明，三維激光掃描儀監測地形變化誤差在允許范圍內，三維激光掃描儀可以在該工程中得到應用。

3.2 獲取后視點定向坐標的方法

在三維激光掃描儀監測地形變化時，為確保每次監測外界數據的一致性，在監測時，靶標要固定在其他兩個墩臺上，作為參考依據。避免發生因為外界因素的變化，影響地形變化監測的準確性。

3.3 點云數據獲取方法

在一次測量中，把三維激光掃描儀先固定墩臺上，通過拍照的方法獲得靶標的具體位置，對分辨率在30m×1mm以下的區域進行精掃。然后在拍照南側邊坡的具體位置，對分辨率在10m×5mm下的區域進行掃描。就可以獲得相應的點云數據，然后再采用全站儀和水準儀來測量南側邊坡三維激光掃描儀位置布設的測點，并對各個數據進行全方位記錄，在具體測量時，要每隔半月就測量一次，共測量6～8次，然后取平均值作為地形變化監測的主要數據。

3.4 監測數據的處理和分析

把測量到的點云數據在RiSCAN PRO軟件中進行預處理，把噪聲點全部去除，就該案例工程而言，由于測量次數比較多，獲得的點云數據也比較多，但該工程南坡表明特征大體上基本相同，如果點云數據比較多，則會增加數據處理的難度，但對精度的提升影響不大，所以在RiSCAN PRO軟件中要去除掉大約80%的點云數據。

提取南側邊坡測點周圍的點云數據，并對三維坐標進行詳細記錄，在此過程應用到的主要公式是：公式中（x0，y0，z0） 表示上次測量值，（x，y，z）則為RiSCAN PRO軟件中的計算值。

準儀測量獲取測點的沉降變化數值z，全站儀測量獲取測點水平坐標x，y，再利用公式計算坐標點相對于上次測量結果的位移量，得到測點的變化值。結果如表1所示。

表1 三維激光掃描儀6次測量結果測點周圍邊坡的平均變化量

從表1中可以看出，該案例工程中三維激光掃描儀每次測量位移變化量在0～4mm，累計變化量在-3～-10mm之間。地表的主要變形為沉降變形，施工過程中，邊坡變形比較明顯。三維激光掃描儀測量誤差在2mm左右，且只有一次的測量誤差為4mm，可看做偶然誤差。三維激光掃描儀工程測量結果與實驗結果基本一致，值得大范圍推廣應用。

4 三維激光掃描儀應用發展趨勢

三維激光掃描技術是目前地形變化監測中應用的典型代表，而且相應的單點就顯得并不是非常重要，雖然傳統的單點測量也能很好的反映地形變化的各項信息，但對于單點的變形信息則難以準確給出，主要原因是傳統單點測量很難在前后兩期測量點云數據之間找到我們平時所說的同名點。所以，通過應用三維激光的掃描點的基準點，插值就可以獲得很多同名點，這樣就可以比較我們感興趣的任何一點，這樣，我們就解決了點云上任何一點的形變值。

使用最小二乘方法擬合、三次樣條差值擬合等數學方法對曲線進行擬合。我們在擬合的曲線y=f（x），x每間隔1cm取一個變形點，這樣就可以得到線上每一個點的變形，達到我們線變形的研究目的。

現場踏勘及方案的制定、控制測量、野外數據的采集、內業數據處理（點云數據拼接、去噪、平滑、精簡、建模）。

三維激光掃描儀在我國的應用時間已經超過了10年，經過大量的試驗和研究，各項技術愈發先進，再加上各種新技術和計算機軟件技術快速發展，三維激光掃描儀已經被廣泛應用在各大領域。測量的精度也在不斷提升，通過給各項新技術的應用，各項數據后期處理的越來越簡單，逐步實現了智能化、自動化、準確化。但三維激光掃描儀在應用時，需要基于激光技術的傳播和人力來搭架，才能獲得相應點云數據。由于三維激光掃描系統由硬件和配套軟件組成，軟件方面的不足也在很大程度上影響了三維激光掃描儀的精度。而多數情況下，三維激光掃描儀在地形變化監測過程具有很多優勢，再加上各種信息的不斷完善，三維激光掃描儀技術會在未來的地形變化監測中得到更加廣泛的應用。

5 結語

綜上所述，本文結合工程實例，深入分析了基于三維激光掃描儀的地形變化監測，研究結果表明，在地形變化監測中，通過應用基于三維激光掃描儀可大幅度提升地形變化監測的準確性。在工程應用當中，可根據工程需要，依據以上實驗結果，適當調整掃描儀測量分辨率和工作距離，以便達到工程要求。

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