變形監測中地面三維激光掃描技術的應用

劉奎源

摘要：地質災害作為一種自然災害，一旦在沒有防控的情況下發生，就會造成巨大的損失，為了準確對地質災害進行防控，本文特介紹了一種地面三維激光掃描技術在變形監測中的應用，并且提出了對變形結果進行分析的兩種方法，并通過試驗驗證了方法的可行性。此技術相較于傳統的檢測技術具有諸多的優點，是一種可以有效作為變形監測的方法。

關鍵詞：變形監測；三維激光掃描技術；掃描儀

1.引言

我國地域遼闊，地質條件相對復雜，所以也是地質災害最嚴重的國家，因此研究人員針對此問題，研究出了多種方法對地質進行監測，以此來減少地質災害造成的影響。現今在對其進行監測時，使用的是地面三維激光掃描儀的方法，而且相關人員也會對其進行了研究分析，經過分析之后表明了其可行性。

2.三維激光測量技術的應用

2.1選擇地面三維激光掃描儀

在變形測量的過程中使用地面三維激光的方式有著諸多的優點，其不僅可以提升監測的效率，還可以保證監測的精度。而對于掃描儀的型號，隨著其應用范圍的擴大，也變的越來越多。包括有Trimble、Leica等，其不同的型號也存在有較大的差異，所以，在實際的變形監測當中一定要結合具體的要求也進行儀器的篩選。在對邊坡的變形進行監測時，由于需要進行大范圍的測量，所以在測程的選擇上應該選擇測程相對較大的儀器，諸如VZ-400掃描儀。

2.2點云數據的拼接

該掃描儀對監測對象進行掃描時，需要搭設的多個測站，然后獲取每一個測站的點云數據，由于測站的局部坐標系存在差異，因此在對獲取到的數據進行分析時，需要先將不同的點云數據進行拼接，然后將其展示到一個相同的坐標系上，對點云數據進行具體地分析對比，之后對變形情況進行分析。為了對不同的坐標系進行統一，通常使用的方法有兩種，一種是先對不同的測站進行數據的配準，然后測出大地坐標，坐標的數量不得低于三個，隨后將已經配準過的數據直接在大地坐標上進行轉換。第二種是在每一個搭建的測站上都布置大地坐標，然后將數據直接進行轉換，最后進行對比分析。

3.變形分析的方法

3.1方法介紹

在使用該技術對變形的情況進行監測時，主要是利用點云數據進行比較，具體是在不同時期下對對象進行監測，然后獲取到相關的點云數據，將獲取到的點云數據進行比較，通過比較找出發生變化的信息，然后對這些信息數據進行分析，進而實現對變形情況的監測。

3.2點云之間的比較

利用點云直接進行比較，是先在不同時期下獲得點云數據，然后對這些數據作差，以此來獲得監測對象具體的形變量，常用的方法有三種：一是最佳擬合面；二是Haus-dorff距離法；三是平均距離法。但是后兩者在使用的過程中容易受數據質量影響，因此本文主要是對最佳擬合面法進行分析，并以此來對點云數據問存在的差異進行提取。該方法的具體步驟分為四步，第一步是先獲取到兩期的點云數據，之后對選定的數據進行濾波處理，以此來清除在監測過程中測得的噪聲點。第二步是建立針對性的索引結構，如格網索引以及八叉樹等，以此來提升對數據的查找效率。第三步是對于所選擇第二期的點，在之前一期中K鄰域進行查找。第四步是利用K鄰域點制作成平面。然后對其他需要分析的點到平面的距離進行計算，將計算的結果與閾值進行對比，距離大于該值，則將其視為變化點。

3.3點云模型之間的比較

模型之間對比相較于上文的方法，多了一個過程，就是在獲得監測對象的點云數據之后，先按照這些點云數據建立相關的模型，其次直接對模型進行求差，或者比較其相關的關系，以此來對監測中產生的變量信息進行提取。在對地形數據進行提取時，可以先根據數據制作成DEM模型，然后在該模型上對變量進行提取。具體的模型比較步驟分為四步，一是先獲取到相關的點云數據，對這些數據統一進行濾波處理，以此來消除在獲取數據的過程中受到外界干擾較大的數據，保證數據的精確性；二是利用處理之后的數據進行模型的構建；三是對各個數據建立模型之后的坐標系以及精度進行統一，以前期數據建立的模型為評判模型，將之后建立的模型使用內插的方法插入到評判模型當中，然后對模型圖中的所有坐標進行統一，進而使得建立的模型更加準確；四是根據模型上面顯示出來的變化情況來對變形的程度進行分析。

4.試驗分析

選用了兩期模擬數據來進行試驗，將一期數據作為墻面，然后使用另外一期數據在墻面上模擬了3處已經存在有形變的區域。具體如圖1所示，分別在墻面放了三個物件，以此來作為判斷標準。即一本書（3cm厚），一個盒子（4cm厚），一個筆記本（8mm厚）。

隨后對這些變形區域使用該技術進行掃描，隨后獲得相應的點云數據，具體如圖2所示。

在對這組數據的變形程度進行分析時，其使用的方法是點云數據之間的直接對比，設置的具體閾值大小為1.7cm。具體的變量提取結果如圖3所示。

從圖3可以直觀地看出，書本以及盒子均可以提取出來，而較薄的本子卻無法被提取，由于掃描儀的精度只有1cm，以此在對閾值進行設置時，必須要大于掃面精度，由于筆記本的厚度未能達到1cm，所以該區域無法在掃描儀上顯示。

通過以上三幅圖片，可以有效地判斷出，如果形變的范圍已經超出了掃描儀的精度，則在對其進行測量時，形變的位置一定會在掃描儀上顯示出來。

5.結束語

本文主要是對其在地面變形監測中的應用進行了分析，以此來驗證將其應用到該領域的可行性。在未來的社會發展過程中還應不斷地摸索出更加先進的監測方法，以此來對原有的監測方法進行改進優化，在保證精度的同時，還能在最大程度上提升監測的效率，進而實現自身的長足發展。