基于格網(wǎng)點(diǎn)的三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

劉 斌 李樹文 隋儉武 朱 君

(濟(jì)南市勘察測繪研究院, 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

工程建設(shè)過程會(huì)對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響,邊坡滑動(dòng)對人員財(cái)產(chǎn)都會(huì)造成損害,邊坡的監(jiān)測能夠及時(shí)獲取邊坡的穩(wěn)定情況,對工程建設(shè)意義重大。受邊坡坡度影響,監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)困難、監(jiān)測區(qū)域難以反映整個(gè)監(jiān)測范圍且點(diǎn)位破壞后新點(diǎn)位布設(shè)困難,傳統(tǒng)監(jiān)測手段在邊坡監(jiān)測過程中難度較大[1-2]。

隨著科技發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛[3-4],利用三維激光掃描無須接觸、掃描范圍大、速度快等優(yōu)勢[5-7],能夠得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù),且無須進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè),通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到邊坡變化情況,為復(fù)雜測量問題提供了全新解決方案[8-14]。

本文利用三維激光掃描儀對在建工程邊坡穩(wěn)定性情況進(jìn)行監(jiān)測,通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及處理,建立格網(wǎng)點(diǎn)位置,利用平均值法與反距離加權(quán)插值法進(jìn)行監(jiān)測格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合,通過分析兩期擬合數(shù)據(jù),驗(yàn)證了基于格網(wǎng)點(diǎn)的三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)例數(shù)據(jù)

在建道路施工工地邊坡長約100 m,寬約6 m的邊坡監(jiān)測范圍,現(xiàn)場邊坡坡度較大,人工布設(shè)點(diǎn)位困難很大,鑒于此,選取天寶TX8三維激光掃描儀進(jìn)行邊坡掃描。天寶TX8三維激光掃描儀以360°×317°的視場和每秒1 000 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度,可以快速高效地完成測量任務(wù),在其Extend模式下,測程可擴(kuò)展至340 m。

在施工區(qū)外穩(wěn)定區(qū)域,布設(shè)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn),在基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)掃描儀進(jìn)行三維激光掃描,后視定向點(diǎn)架設(shè)標(biāo)靶球進(jìn)行坐標(biāo)校正,利用Level1模型進(jìn)行全景掃描,在邊坡監(jiān)測區(qū)域利用Level3模式進(jìn)行局部精細(xì)化掃描,獲取完整監(jiān)測區(qū)域的點(diǎn)云信息。邊坡掃描示意圖如圖1所示。

圖1 邊坡掃描示意圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)不一致,需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到監(jiān)測坐標(biāo)系中。利用Trimble RealWorks軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,利用地理坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到已知坐標(biāo)系中。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域范圍,本次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅用一站即可掃描完成,免除點(diǎn)云配準(zhǔn)帶來的誤差影響,點(diǎn)云轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行點(diǎn)云裁剪工作,去除雜亂點(diǎn)云數(shù)據(jù),生成所需監(jiān)測范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 格網(wǎng)點(diǎn)提取

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)提取,建立監(jiān)測格網(wǎng)點(diǎn)位。格網(wǎng)點(diǎn)提取時(shí),按照坐標(biāo)軸方向進(jìn)行劃分,本次監(jiān)測區(qū)域因X軸(南北向)間隔較小,按照Y方向間隔5 m、H方向間隔1 m的原則進(jìn)行劃分取樣,生成監(jiān)測格網(wǎng)點(diǎn)位置。

2.3 格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合

對于格網(wǎng)點(diǎn)處監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合,首先確定搜索范圍,通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)與格網(wǎng)點(diǎn)位置關(guān)系,確定搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用格網(wǎng)點(diǎn)搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合,一般采用平均值法、反距離加權(quán)插值法等方法進(jìn)行擬合。

平均值法較簡單,將搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)求和取平均,得到格網(wǎng)點(diǎn)各方向的平均值,作為最終格網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

反距離加權(quán)插值法是根據(jù)搜索范圍內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與格網(wǎng)點(diǎn)距離的加權(quán)插值法,各點(diǎn)的權(quán)重與距離格網(wǎng)點(diǎn)的距離成反比,距離格網(wǎng)點(diǎn)較近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)被給定一個(gè)較高的權(quán)重份額,距離越遠(yuǎn),權(quán)重越小[15-16]。反距離加權(quán)插值法計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,(x0,y0,h0)為格網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo);(Vx0,Vy0,Vh0)為格網(wǎng)點(diǎn)在三個(gè)方向的擬合值;(xi,yi,hi)為點(diǎn)云中點(diǎn)的三維坐標(biāo);n為點(diǎn)云中點(diǎn)的個(gè)數(shù);di為點(diǎn)云中點(diǎn)到格網(wǎng)點(diǎn)的距離;p為距離冪參數(shù),是一個(gè)正實(shí)數(shù),默認(rèn)值為2;λi為點(diǎn)對應(yīng)的權(quán)值。

數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 結(jié)果分析

3.1 搜索半徑對監(jiān)測結(jié)果的影響

本次共掃描2次邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù),兩次時(shí)間間隔較短(認(rèn)為監(jiān)測數(shù)據(jù)無變化),本工程共建立97個(gè)格網(wǎng)點(diǎn),設(shè)置不同的搜索半徑,利用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合,比較兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值(取三個(gè)方向差值絕對值最大值),如圖3所示。

圖3 不同半徑監(jiān)測差值比較表

由圖3可知,搜索半徑為0.2 m時(shí)的兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)差值較大,最大值為41 mm,平均值為8 mm,最小值為2 mm,半徑為0.1 m與0.05 m對應(yīng)的監(jiān)測差值較小,趨勢一致。其中,半徑為0.1 m的監(jiān)測差值最大值為15 mm,平均值為6 mm,最小值為1 mm,半徑為0.05 m的監(jiān)測差值最大值為15 mm,平均值為6 mm,最小值為2 mm,且兩者對應(yīng)的監(jiān)測差值均在20 mm以內(nèi),滿足《建筑變形測量規(guī)范》JGJ 8—2007中四等監(jiān)測要求[17]。

3.2 不同擬合方法對結(jié)果的影響

因半徑0.1 m與0.05 m對兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)差值變化較小,本次以半徑0.1 m為例,分析平均值法與反距離加權(quán)插值法對兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響,因邊坡呈東西向(Y方向)分布,本次主要分析其在南北向(X方向)與高程(H方向)的變化。如圖4、圖5所示。

圖4 X方向監(jiān)測數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)

圖5 H方向監(jiān)測數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)

由圖4、圖5可知,因擬合方法不同導(dǎo)致兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)差值變化方向略有差異,但兩種方法的X方向監(jiān)測差值最大為11 mm,平均值法在H方向差值最大值為14 mm,反距離加權(quán)插值法在H方向差值最大值為15 mm。對兩種擬合方法的監(jiān)測差值絕對值所占比例統(tǒng)計(jì)分析如圖6所示。

(a)X方向監(jiān)測差值區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析

由圖6可知,兩種方法在0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm三個(gè)區(qū)間的所占比例趨勢接近,其中差值在0～5 mm內(nèi)的占比最大,差值在10～15 mm占比最小,兩種擬合方法的監(jiān)測差值絕對值在10 mm之內(nèi)的比例多達(dá)95%,從以上數(shù)據(jù)分析可知,兩種方法擬合監(jiān)測數(shù)據(jù)差值結(jié)果接近,監(jiān)測結(jié)果均能滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

基于傳統(tǒng)監(jiān)測方法在邊坡監(jiān)測中存在的困難,本文以三維激光掃描在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用為例,通過提取監(jiān)測格網(wǎng)點(diǎn),利用平均值法與反距離加權(quán)插值法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,通過實(shí)例數(shù)據(jù)分析,探究了不同搜索半徑對擬合數(shù)據(jù)的影響,分析比較了兩種擬合方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)差值的影響,驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中應(yīng)用的可行性,為同類監(jiān)測項(xiàng)目實(shí)施提供了借鑒。