三維激光掃描技術(shù)在局部地表變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探究

付 貴，葉政霖，高 翔

（1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)551400；2.貴陽(yáng)洪城百佳房地產(chǎn)資產(chǎn)評(píng)估有限公司，貴州 貴陽(yáng)551400；3.安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南232001）

近年來(lái)，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響國(guó)民生產(chǎn)生活的安全。為精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)地表變形，現(xiàn)階段具有多種技術(shù)手段可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如攝影測(cè)量[1]、合成孔徑雷達(dá)干涉（Interfermetry Synthetic Aperture Radar，InSAR）[2]、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）[3]和三維激光掃描[4]等。其中三維激光掃描技術(shù)具有高精度、范圍廣和效率高等特點(diǎn)，已廣泛用于古建筑物和文物保護(hù)[5]、城鎮(zhèn)規(guī)劃[6]、交通事故處理[7]及變形監(jiān)測(cè)[8]等領(lǐng)域。

三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為變形監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段。羅德安等[9]驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。張國(guó)輝[10]運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)某礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了兩種可實(shí)施的方法，在變形區(qū)域放置標(biāo)靶，通過(guò)標(biāo)靶中心在不同時(shí)期的位移來(lái)監(jiān)測(cè)變化；根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立變形區(qū)域的數(shù)字高程模型，利用基于模型求差的方法分析變形。趙群等[11]對(duì)國(guó)家體育館內(nèi)大跨度的鋼架滑移過(guò)程應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)及分析。

本文重點(diǎn)介紹關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，處理過(guò)程包括：數(shù)據(jù)的讀取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、噪聲的處理、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的生成和變形信息的提取等操作步驟，以期獲得有益結(jié)論。

1 三維激光掃描儀基本工作原理

在掃描工作中，掃描儀的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，掃描儀在過(guò)原點(diǎn)的水平面上水平轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)閄軸，過(guò)原點(diǎn)與X軸垂直的為Y軸，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O且垂直于水平面的為Z軸，這樣坐標(biāo)軸之間就形成了一個(gè)右手坐標(biāo)系。其中，每一點(diǎn)的坐標(biāo)可以表達(dá)為

式中：S為目標(biāo)地物反射點(diǎn)到坐標(biāo)中心距離；θ為掃描儀中心與目標(biāo)點(diǎn)所成夾角的水平角；φ為垂直角。

三維激光掃描儀不僅可以記錄目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，同時(shí)還可記錄目標(biāo)地物的光學(xué)反射率。每種地物都有自己的反射光譜信息，因此在后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，通過(guò)數(shù)據(jù)可顯示出目標(biāo)區(qū)域的反射效果和假彩色（R，G，B）影像。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

在三維激光掃描系統(tǒng)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要將海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入中海達(dá)三維激光掃描儀配套的軟件（HD-3LS-SCENE），進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。處理過(guò)程包括：數(shù)據(jù)的讀取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、噪聲處理、三維建模等。

2.1 點(diǎn)云去噪

在掃描過(guò)程中，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含掃描區(qū)域的數(shù)據(jù)還包括一些其他的冗余數(shù)據(jù)，比如附近的教學(xué)樓和花壇，土坡上面的草叢等都是掃描儀掃描出來(lái)的多余數(shù)據(jù)。這些多余的數(shù)據(jù)不僅會(huì)讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)量變得更加龐大，也使數(shù)據(jù)處理變得更加麻煩，數(shù)據(jù)處理效率降低，而且還會(huì)讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度下降。因此，在進(jìn)行拼接之前需清除這些多余的數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下。

1）導(dǎo)出掃描儀掃描的原始數(shù)據(jù)，并且將這些原始數(shù)據(jù)存入電腦中。打開(kāi)軟件，導(dǎo)入這些“.hsr”格式的原始文件，軟件會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成“.hls”格式的文件。

2）文件導(dǎo)入后，顯示平面視圖和三維視圖，參考平面視圖判斷哪些為多余的數(shù)據(jù)。

3）打開(kāi)選擇區(qū)域工具欄，通過(guò)各種方式選擇區(qū)域，如矩形區(qū)域、多邊形區(qū)域等，然后在三維視圖中選擇出這些多余數(shù)據(jù)（注意不要選擇了需要的區(qū)域），點(diǎn)擊刪除。

刪除噪聲點(diǎn)后的成果就是需要的結(jié)果，為下一步的拼接做準(zhǔn)備。去噪前后對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪前后對(duì)比

2.2 點(diǎn)云的拼接

1）將去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，重新選擇路徑保存。

2）在HD-3LS-SCENE的工作區(qū)中點(diǎn)擊拼接工程/新建拼接組/快速添加測(cè)站/組成拼接組；在界面中依次選擇相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域組成拼接組，這些拼接組將由特征點(diǎn)進(jìn)行拼接。

3）在工具欄中選擇“添加特征點(diǎn)”，在相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中依次添加同名的特征點(diǎn)，至少選取3個(gè)同名點(diǎn)；在掃描站上右擊選擇“自動(dòng)配對(duì)靶球靶子特征點(diǎn)”，然后在對(duì)應(yīng)的拼接組上右擊選擇“刷新控制點(diǎn)”；這些選取的特征點(diǎn)將變?yōu)槠唇铀玫目刂泣c(diǎn)。

4）在選擇完控制點(diǎn)之后，在拼接組上點(diǎn)擊“直接拼接”，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行拼接，同時(shí)會(huì)顯示拼接精度、拼接預(yù)覽。在拼接組拼接完一組后，繼續(xù)選擇下一拼接組進(jìn)行拼接，操作步驟相同，直到所有的拼接組拼接完成。拼接完成后，會(huì)顯示每個(gè)拼接組的拼接精度并且可預(yù)覽拼接成果；點(diǎn)擊“導(dǎo)出”，勾選“合并導(dǎo)出”，依然選擇“.hls”格式導(dǎo)出，至此點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過(guò)程完成。其中，拼接誤差為0.782 mm，拼接結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接結(jié)果

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM

1）生成DEM。由于前面拼接過(guò)后的模型數(shù)據(jù)非常龐大，即使經(jīng)過(guò)前面刪減可能大部分電腦也顯示不出來(lái)，所以需要先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，起到稀釋點(diǎn)云的作用。要生成DEM，TIN，先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，點(diǎn)擊“點(diǎn)云分析”下的“點(diǎn)云模型生成工具”。在彈出的點(diǎn)云模型生成工具窗口中，添加顯示拼接后的數(shù)據(jù)，選擇投影方式，并且根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置網(wǎng)格大小，這里設(shè)置為1 m，先點(diǎn)擊生成投影文件。

導(dǎo)入生成的點(diǎn)云投影文件，顯示三維視圖，查看投影后的效果，如果沒(méi)有噪聲點(diǎn)則可繼續(xù)生成DEM文件。再次打開(kāi)點(diǎn)云模型生成工具，選擇投影后的點(diǎn)云文件，點(diǎn)擊生成“.tif”格式的DEM和由DEM到TIN，最終導(dǎo)出DEM文件和TIN文件。

2）顯示DEM。在工具欄中添加“模型瀏覽工具欄”，打開(kāi)DEM，在工具欄中可選擇不同的模型渲染方式查看模型視圖。圖3為按實(shí)體渲染的DEM視圖。

圖3 按實(shí)體渲染的DEM視圖

將上一步點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM文件導(dǎo)入ArcGIS10.2中，就能提取出區(qū)域的等高線信息。在分析工具欄下的表面分析中，點(diǎn)擊等值線工具欄，輸入剛導(dǎo)入的DEM柵格數(shù)據(jù)，選擇輸出要素為折線，然后輸入等值線的間距同時(shí)輸入起始的高程，點(diǎn)擊“確定”，就可得到該區(qū)域的等高線分布圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 兩期的等高線分布圖對(duì)比

在提取等高線后，兩期數(shù)據(jù)的高程在43.91～48.21 m之間，而且土坡的頂部朝向?yàn)槟稀Ｓ蓤D4可以看出，兩期掃描數(shù)據(jù)提取的等高線結(jié)果大致相同，等高線大部分重合在一起，部分等高線之間存在差值，經(jīng)研究有大致兩方面的原因：一是不同測(cè)站數(shù)據(jù)之間拼接時(shí)存在拼接誤差；二是軟件算法的原因，在兩期數(shù)據(jù)生成DEM時(shí)存在偏差。這些偏差在可接受范圍內(nèi)，因此提取的等高線信息與實(shí)際情況相符合。

4 DEM變形分析

4.1 變形信息提取

1）將處理過(guò)后的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為“.las”文件，然后分別導(dǎo)入到Cloud Compare軟件中進(jìn)行顯示。兩期數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 兩期數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2）Cloud Compare是一款集查看、編輯、處理為一體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)配套軟件，支持多種三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式。該軟件專業(yè)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形量，通過(guò)點(diǎn)云的直接對(duì)比，計(jì)算出不同區(qū)域的變形量。具體操作為同時(shí)選擇兩組數(shù)據(jù)，在工具欄中選擇計(jì)算2.5D體積，選擇運(yùn)用后期數(shù)據(jù)和前期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到后面相較于前面的變形量。比較后期數(shù)據(jù)與前期數(shù)據(jù)，計(jì)算出DEM發(fā)生的變形量見(jiàn)圖6。

圖6 兩期數(shù)據(jù)差值

由圖6可以看出，該土坡的坡面變形量值為0，沒(méi)有發(fā)生變形。而邊界處可以看到幾處噪聲點(diǎn)，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)是土坡與道路和其他坡面的連接處因?yàn)辄c(diǎn)云去噪的原因而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了輕微的影響。

結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)變形是可行的，也驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。

4.2 精度分析

為了檢驗(yàn)三維激光掃描儀掃描區(qū)域的精度，探究三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)地表變形時(shí)的精度是否能達(dá)到全站儀的精度，在本次實(shí)驗(yàn)中不僅運(yùn)用了三維激光掃描儀掃描了實(shí)驗(yàn)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)利用全站儀對(duì)準(zhǔn)了每一個(gè)平面標(biāo)靶的中心，測(cè)出了點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，見(jiàn)表1和表2。

表1 第一期全站儀和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)及二者差值

表2 第二期全站儀和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)及二者差值

由表1和表2可以看出，全站儀和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的X方向的最大誤差為2.4 mm，最小誤差為0.6 mm；Y方向的最大誤差為2.5 mm，最小誤差為0.5 mm；兩者的高程誤差最大為2.6 mm，最小誤差為0.7 mm。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)精度的要求，三維激光掃描儀的精度滿足一般變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的要求。

5 結(jié)論

1）利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)與實(shí)際的地表變形情況相符合，驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在地表變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的可行性。

2）基于網(wǎng)格面積可以快速地計(jì)算出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的變形情況，為實(shí)際工作中區(qū)域的快速變形監(jiān)測(cè)提供了參考方案。

3）平面標(biāo)靶中心的坐標(biāo)與利用全站儀測(cè)得的坐標(biāo)值比對(duì)結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)在監(jiān)測(cè)變形時(shí)具有較高的精度，同時(shí)多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)比分析計(jì)算出區(qū)域的變形量具有較好的可靠性。