三維激光掃描技術在海島邊坡監測中的應用

劉 輝

（遼寧省自然資源事務服務中心—遼寧省基礎測繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

海島地質災害是指島嶼陸地和海岸的地質現象和地質過程，對島嶼的自然生態環境和地形造成嚴重破壞，或者造成海島人民的生命財產損失，這將直接或間接影響該島的經濟和社會發展[1]。海島邊坡發生滑坡和泥石流屬于常見的地質災害，因此，持續對海島的邊坡進行監測十分必要。

海島的邊坡監測主要是定期測量邊坡平面和垂直方向的位移變化，判斷和分析邊坡是否變形，以及變形的區域、大小、方向和類型，進而得出結論。傳統的監測的方法是利用全站儀和GPS對點特征進行測量，基于遙感、攝影測量和三維激光掃描技術獲取變形數據具有精度高、速度快、節省人力物力等優勢，是海島邊坡監測的主要發展方向，并且已取得了較多的研究成果。胡穎等[2]提出了將地面三維掃描技術用于監測地表形變產生的滑坡災害的方法。蔣健等[3]提出了一種分布式GNSS地質災害實時監測方案，通過衛星差分定位技術實現地質災害數據的全自動實時采集，實現了地質災害的可視化監測和管理。張國龍等[4]以鄭州市西北某一滑坡監測為例，介紹了對三維激光掃描獲得的數據進行滑坡變形分析的方法，得到滑坡體變形的點、線、面的滑坡變化信息，驗證了該方法在滑坡監測中應用的可行性。

1.三維激光掃描技術原理

1.1 三維激光掃描技術簡介

近些年來，三維激光掃描技術作為一種測量的新型技術得到了快速發展。它通過向對象物體發射高速激光，獲得被射物體的表面的各類數據，進而得到點云數據。利用三維激光掃描技術配套的軟件計算并處理點云數據，進而構建出物體的三維模型及相關數據[5]。三維激光掃描技術可以快速獲得物體的表面特征，避免了傳統的“以點代面”測量方法的缺點，還具有操作簡單、自動化程度高、數據精度可靠、受外部條件的限制較小的優點，并且所獲得的數據可以更直觀地反映物體的表面信息。

1.2 三維激光掃描儀工作原理

3D激光掃描系統主要由3D激光掃描儀、計算機、電源系統、支架和系統支持軟件組成。根據掃描原理，常用的三維激光掃描技術可分為三類：相位測距法、脈沖相位測距法和激光測距法。測距原理如下：

1.2.1 脈沖測距方法

脈沖測距法是一種將激光時間測量與距離測量相結合的測量技術。脈沖測距方法適用于超長距離3D激光測量，測量精度可以達到厘米級。最常用的儀器是奧地利Rigel激光雷達儀器和瑞士的Leica激光雷達儀器。

1.2.2 激光三角測距法

激光三角測距的原理是通過激光傳輸系統發送激光到目標物體的表面，而CCD攝像機接收目標物體反射的信息。根據記錄的入射光與反射光之間的角度和三角形的幾何關系計算目標對象在坐標系中的位置。這種激光雷達測量技術在幾十米范圍內的測量精度能夠達到亞毫米級，它主要用于逆向工程的模型重建和工業測量。

1.2.3 相位測距法

相位測距法是通過光波的相位差計算距離。使用相位測距法的儀器通常用于短距離或中距離的觀測設備，相位測距法的測量精度高，毫米級的觀測精度能夠廣泛應用于工業領域等精度要求高的測量需求。

1.2.4 脈沖—相位測距法

將脈沖測距與相位測距方法結合在一起，就形成了脈沖—相位測距法。它通過有效地結合兩種測距方法，可以獲得高精度的位置信息。

1.3 三維激光掃描測量誤差分析

三維掃描儀有三個誤差來源：線性誤差（激光雷達部分/LARA）、測距噪聲（激光雷達部分/LARA）和測角誤差（機械偏轉部分）。

1.3.1 線性誤差

線性誤差是在測量時做了距離校準后出現的小誤差。對比不同距離下的采樣均值與真實距離，得到了不同距離下的測距殘留誤差。

1.3.2 測距噪聲

距離測量時采樣的數值與其平均數值之間的差值為距離噪聲，它呈高斯正態分布。測距噪聲是任何點云數據里都有的，該誤差受測量時數據采集速度的影響較大，因此，測量時儀器與測量物體之間的距離、被測物體表面的反射率等都是影響測距噪聲大小的重要因素，控制好這幾種影響因素能夠有效減小測距噪聲的值。

1.3.3 機械偏轉系統

激光束的發射角度是根據反射鏡的角度來測量的，激光束真實的發射角度與反射鏡的實際角度并不是完全一樣。測角誤差又包括水平測角誤差Eβ與豎直測角誤差Eα。為了得到由掃描儀機械偏轉系統帶來的測角誤差，需要對測量儀器建立校準場，在校準場內對掃描儀進行校正，通過計算目標地物的測量值與真實值之間的差值，即得到這臺掃描儀機械偏轉系統的測角誤差。有了這些測角誤差就會相應生成一些實時改正參數。角度誤差在距離較遠時對點云的三維誤差影響很大。

基于以上分析，測角誤差是一個重要參數。但是角度分辨率是機器能識別的最小角度，和測角精度沒有關系。

2.海島邊坡測量試驗

2.1 試驗區概況

試驗區位于遼寧東部長山群島，地處長山群島的中心位置。陸地面積31.79平方公里，海岸線長94.4公里，海域面積651.5平方公里，沿海分布有海蝕階地和沖積平原。地形破碎，河流短促，河谷狹窄。植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，屬于華北植物區系，植被以油松、赤松為主。土壤類型主要為棕壤、草甸土、草甸沼澤土、少量風積沙土和潮坪鹽土。

由于組成海島邊坡的巖體多為石英巖、碎石等不穩定材質，因此，易產生危巖崩塌墜落等災害，此處之前曾發生過落石等情況，目前已采取防護網加固的方式來降低災害發生的風險。

2.2 監測實施

利用三維激光掃描儀測量邊坡的變形數據采用以下技術流程（如圖1所示）：

圖1 邊坡變形測量技術流程

2.2.1 軟硬件投入

2.2.2 點位布設

技術人員前往現場調查、驗證和確認掃描對象周圍的控制點，并在掃描過程中檢查控制點的可用性，標記并保存可用的控制點。根據掃描目標的形狀、位置、空間分布、精度要求和掃描分辨率來確定測站和目標的位置。本次試驗利用島上已有的平面控制點和高程控制點與提前埋設的控制點進行聯測。

沿著監測邊坡下的道路，通過導線與水準路線布測工作基點，沿著堤岸與道路之間布測工作基點，選擇斜坡上的自然特征點作為變形觀測點。布設點位時，盡量選在位置牢固，便于觀測，并能反映監測體或監測斷面兩側變形特征的位置。為了方便后續的掃描儀進行掃描作業，監測點還應兼具三維激光掃描標記點的功能。在選擇點位時，還必須考慮在兩個站點的掃描范圍內需要三個或更多的標記點。

2.2.3數據采集

將三維激光掃描儀在選定的工作基點上對海島邊坡進行掃描，并將選定的監視點作為特征點。然后，根據預先制定的掃描方案，在測站上架設三腳架并安裝設備。在確認作業范圍內無遮擋后開始掃描，設備會對選定的區域進行掃描和數據獲取。掃描結束后，將掃描儀存儲卡中的觀測數據導出。

2.2.4 數據處理與分析

2.2.4.1 點云數據預處理

通過掃描獲得的點云數據并是初級結果，其數據量巨大、點位分布散亂且密度大，因此，無法直接使用。通過對點云數據進行簡單預處理即可解決這些問題，預處理的主要環節包括：降噪、數據精簡、規則化等，為下一步進行三維建模做準備（如圖2所示）：

當1≥e1>e2>0時，對任意的p1，定理4結合定理1，有q*(e1,p1)>q*(e2,p1)，如圖6所示。

圖2 點云數據的預處理

人們經常使用的數據平滑算法包括三種：高斯濾波法、鄰域平均法和中值濾波法。由于去噪過程中的權重是高斯分布，高斯濾波能夠完全消除點云中的噪聲，并完整地保留特征信息，因此，高斯濾波可以去除高頻信號，該算法在三種算法中效果最好。在具有特征點的點云濾波中，均值方法效果更好，但在其他場景中效果一般。中值濾波方法僅對特殊的點云噪聲（如點云中的噪聲呈毛刺狀）處理效果較好。因此，本文采用高斯濾波算法對點云數據進行去噪處理。

2.2.4.2 點云數據的拼接配準。首先要將幾次掃描獲得的數據做拼接，才能獲取被測物體表面的完整信息。將單次掃描的數據分別匹配到參考數據上，最終將觀測目標的完整信息統一到同一坐標系下。

在掃描數據和參考數據上分別選取至少三對同名點，然后將待配準的掃描數據糾正到參考點云數據上。在配準時，需要不斷調整選取的同名點，已達到最佳的配準精度。本試驗區點云數據的拼接效果（如圖3所示）：

圖3 拼接后的點云數據

2.2.5 數據處理

在做完數據預處理后進行下一步的建模處理。建模的首要內容是數學算法的選擇，算法的合適與否將決定模型的精度和數據表達的正確性。通過數據之間的拓撲關系擬合離散點，從而建立了接近真實形狀的模型。

2.2.6 模型輸出與評價

利用軟件將不同算法得到的建模結果進行比較和分析，統計模型的精度，進而驗證從構建模型的準確性。構建的點云模型（如圖4所示）：

圖4 點云模型

2.2.7 多期監測結果對比分析

利用三維激光掃描儀對監測的海島邊坡進行持續測量，通過對比同一點位的數據差異得出該點位的位移量。根據規范中關于滑坡監測的精度要求，對于試驗區這種巖質滑坡，當水平位移監測點位的中誤差大于6毫米、垂直位移監測的高程中誤差大于3毫米或地表裂縫的觀測中誤差大于0.5毫米時，則認為觀測點位發生了變形。各期掃描結果與第一期比監測點變化量（如表1、表2所示）。對比五期監測數據，得到后四期與第一期的監測點位變化幅度小，點位穩定，所測邊坡整體穩定的結論。由于同期數據都是在同一天先后測得的，因此外界環境的影響可忽略不計。

表1 第二、三期掃描結果與第一期比監測點變化量

表2 第四、五期掃描結果與第一期比監測點變化量

3.結束語

三維激光掃描技術使用激光掃描儀發射并接收激光掃描掃描束，能夠快速、高效地得到掃描對象海量的點云信息，進而得到坐標和其他空間信息。然后，通過對海量、密集的點云數據能夠快速構建出三維點云模型，為數據分析等工作提供準確的數據依據。本文通過對遼寧東部海島邊坡進行五期三維激光數據獲取和變形監測數據處理的試驗，總結出利用三維激光掃描技術進行物體變形測量的技術方法。通過定期復測的方式獲得監測對象的三維信息，對比特征點位的水平、垂直等度量的變化，進而分析出監測對象的變形情況。隨著三維激光掃描技術的不斷成熟和發展，它已逐漸成為空間數據采集的重要手段，該技術將在工程建設規劃、物體三維重建與監測等領域發揮重要作用。