三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

邱平武

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊(duì) 湖南長(zhǎng)沙 410129）

三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

邱平武

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊(duì) 湖南長(zhǎng)沙 410129）

三維激光掃描技術(shù)是一種新型的激光測(cè)量技術(shù)，具有高速度、高精度、高密度的特點(diǎn)，能夠有效獲取物體表面的三維空間坐標(biāo)，且無(wú)需接觸被測(cè)物體，目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于滑坡變形監(jiān)測(cè)中。本文主要從三維激光掃描測(cè)量的工作原理入手，并對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取和采集的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，僅供參考。

三維激光掃描測(cè)量；滑坡監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)獲取

1 引言

目前，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為解決滑坡數(shù)據(jù)獲取和采集提供了有效途徑和手段，其不僅能快速實(shí)現(xiàn)坡體的數(shù)字化，還可通過(guò)激光掃描獲取目標(biāo)的深度圖，并將其轉(zhuǎn)化為坡體表面三維信息，增強(qiáng)工作人員的代入感。同時(shí)，利用三維激光掃描技術(shù)所開(kāi)展的滑坡監(jiān)測(cè)工作，有利于減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足。

2 三維激光掃描測(cè)量原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、軟件控制平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及電源和其它附件設(shè)備構(gòu)成。三維激光掃描技術(shù)的核心是激光反射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元等。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)可直接對(duì)滑坡實(shí)體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確采集，從而可快速建立出滑坡實(shí)體目標(biāo)的三維模型。

三維激光掃描原理見(jiàn)圖1，在三維激光掃描儀內(nèi)，有一個(gè)激光脈沖發(fā)射體和兩個(gè)反光鏡同步進(jìn)行有序旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)被測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，可準(zhǔn)確測(cè)量出每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，由此可計(jì)算出相應(yīng)距離，同時(shí)編碼器可對(duì)每個(gè)脈沖角度進(jìn)行測(cè)量，從而獲得被測(cè)物體真實(shí)的三維坐標(biāo)。其中兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)用來(lái)反射脈沖激光鏡子的角度，以此來(lái)獲得激光束的水平及豎直方向值；通過(guò)脈沖激光傳播的所花的時(shí)間可將儀器到掃描點(diǎn)的距離計(jì)算出來(lái)；掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度可用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。

圖1 滑坡三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，可獲得每個(gè)測(cè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的位置信息可在掃描坐標(biāo)系中通過(guò)極坐標(biāo)（?ξδ）的形式予以描述。在掃描前，要在被掃描區(qū)域內(nèi)布設(shè)相應(yīng)的掃描控制點(diǎn)，而控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)一般可通過(guò)GPS、全站儀等手段進(jìn)行測(cè)量，以便點(diǎn)云坐標(biāo)向大地坐標(biāo)的相應(yīng)轉(zhuǎn)換，從而為滑坡監(jiān)測(cè)提供可靠通用的數(shù)據(jù)。在獲取數(shù)據(jù)后可利用逆向工程軟件來(lái)提取坡體特征，形成滑坡區(qū)域DEM模型，從而為數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)建模奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，見(jiàn)圖2。

圖2 三維激光掃描儀在滑坡監(jiān)測(cè)中的工作流程圖

3 滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和處理

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)的采集

一個(gè)完整的實(shí)體掃描過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)的獲取和處理、點(diǎn)云建模輸出應(yīng)用。針對(duì)滑坡地理位置的實(shí)際情況采用三位掃描儀對(duì)坡體進(jìn)行大規(guī)模掃描，在掃描過(guò)程中可實(shí)行“分站-分景”的掃描方式，每站以圓形區(qū)域進(jìn)行分景掃描，并對(duì)所掃描的信息進(jìn)行處理，以便坡體地面模型的有效提取。采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拼接和結(jié)合后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，以此來(lái)保證滑坡監(jiān)測(cè)體地面高程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而為DEM模型的建立提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

要保證所獲取的多傳感器數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，其中涉及了較多的技術(shù)環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容為：①深度圖像分割。該技術(shù)的分割方式主要集中在基于區(qū)域的分割上，通過(guò)分割可將圖像分成不同區(qū)域，而分割后的結(jié)果有利于對(duì)圖像進(jìn)行更好的處理和分析；②點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配。數(shù)據(jù)匹配的主要目的在于為數(shù)據(jù)定義明確的絕對(duì)坐標(biāo)，其匹配過(guò)程是在參考點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在集成應(yīng)用中可選擇GPS或全站儀對(duì)參考點(diǎn)的位置信息進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)；③點(diǎn)云過(guò)濾。掃描過(guò)程主要先對(duì)垂直方向的線進(jìn)行掃描，并按照設(shè)定的水平角分辨率水平轉(zhuǎn)動(dòng)，再對(duì)垂直方向的線進(jìn)行掃描，可見(jiàn)掃描過(guò)程具有一定的規(guī)律性。但這種規(guī)律下所得到的點(diǎn)云是無(wú)序雜亂的，因此，建模前應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑。點(diǎn)云過(guò)濾的主要目的是降低點(diǎn)云密度和過(guò)濾點(diǎn)云中的噪音點(diǎn)；④數(shù)據(jù)絕對(duì)定位及拼接。多視點(diǎn)云拼接是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即是將各個(gè)局部坐標(biāo)系通過(guò)相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，從而將多個(gè)角度的掃描數(shù)據(jù)合成完整的三維物體。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)絕對(duì)定位基準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)GPS和全站儀相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量，掃描后數(shù)據(jù)點(diǎn)位的誤差范圍控制在2～6mm左右。

3.3 坡體DEM獲取

通過(guò)CYCLONE掃描數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)掃描的雜點(diǎn)進(jìn)行剔除，確保處理后的掃描數(shù)據(jù)僅存在地表點(diǎn)。用CYCLONE數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能可將MP的掃描格式轉(zhuǎn)換為用戶(hù)需要的DXF格式。為了保證坡體DEM模型建立的完整性，應(yīng)對(duì)各時(shí)段DEM的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一，并利用模型求差法對(duì)其進(jìn)行分析。另外，在對(duì)相同水平坐標(biāo)點(diǎn)的高程變化情況進(jìn)行比較時(shí)，應(yīng)以初始DEM數(shù)據(jù)作為參考，并對(duì)后面的DEM數(shù)據(jù)實(shí)行內(nèi)插計(jì)算，通過(guò)相同水平坐標(biāo)點(diǎn)高程變化情況的比較來(lái)分析變形大小。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某區(qū)域滑坡縱向水平垂直距離為70m，橫向?yàn)?00m，該滑坡體上部原有四個(gè)雨水蓄水池，由于池內(nèi)具有明顯的開(kāi)裂痕跡，導(dǎo)致其不具備蓄水功能，導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生的主要原因在于雨水長(zhǎng)期的沖刷和滲透，使得滑體表面存在大量裂縫，可見(jiàn)，該區(qū)域山體確實(shí)存在滑坡跡象。

4.2 控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

為了在統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)采集的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便獲得同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域DEM，在滑體周?chē)裨O(shè)了用于設(shè)站和定向的控制點(diǎn)，如圖3所示，控制點(diǎn)選DEM。在本次掃描中，只使用了其中的K1、K2控制點(diǎn)，將K1作為基準(zhǔn)點(diǎn)用來(lái)加設(shè)儀器，K2作為觀測(cè)時(shí)需要的定向點(diǎn)。

圖3 控制點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)站。由于該滑坡體相對(duì)較小，且植被較少，在滑坡體的上下位置均能觀測(cè)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此，在所布設(shè)的K1、K2、K3、K4控制點(diǎn)中，選擇K1來(lái)架設(shè)三維激光掃描。另外，為了得到滑坡區(qū)域整體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將K1控制點(diǎn)作為母站，以作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的公共標(biāo)靶為約束條件進(jìn)行拼接即可得到所測(cè)區(qū)域完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）定向。在K1控制點(diǎn)上架設(shè)掃描儀，并對(duì)儀器高度進(jìn)行測(cè)量，連接掃描儀和電源，將電源打開(kāi)讓儀器進(jìn)行自檢；設(shè)置筆記本和掃描儀之間的通訊，并啟動(dòng)配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫(kù)和工程軟件，連接掃描儀并通過(guò)所設(shè)置的角度范圍對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行拍照。進(jìn)行多次定向掃描后，其中高程定向最大誤差為4mm，最小誤差為2mm；水平定向最大誤差為2mm，最小誤差為1mm。

（3）粗掃。針對(duì)所拍照片不清晰的區(qū)域可通過(guò)對(duì)內(nèi)置相機(jī)的曝光度進(jìn)行調(diào)整，可重新獲取；設(shè)置掃描儀的掃描精度為10cm，主距為80㎝；在掃描完每站所能觀測(cè)到的監(jiān)測(cè)區(qū)域后，進(jìn)行下一站的掃描。

（4）該監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要使用的是和三維激光掃描儀配套的藍(lán)白標(biāo)靶，在掃描過(guò)程中，可通過(guò)獲取標(biāo)靶信息的方式進(jìn)行精掃，即對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，不用對(duì)掃描精度進(jìn)行設(shè)置，可大大提高掃描效率。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云拼接。對(duì)不同視角和位置的物體進(jìn)行多次掃描，并將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、旋轉(zhuǎn)對(duì)齊、多視拼接等操作，完成對(duì)不同坐標(biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)向統(tǒng)一坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換的過(guò)程，以獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)云預(yù)處理。點(diǎn)云預(yù)處理的主要環(huán)節(jié)是點(diǎn)云去噪，這類(lèi)噪聲點(diǎn)主要是由于滑坡體周?chē)囊恍╇s草、電桿、建筑物等造成的，在對(duì)滑坡體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，難以避免對(duì)周?chē)嘤辔矬w進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于物體具有不同的反光率和反光強(qiáng)度，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也會(huì)呈現(xiàn)不同光澤，這些點(diǎn)會(huì)對(duì)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)質(zhì)量和模型精度產(chǎn)生影響，因此，必須手工去除。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)可有效保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，可對(duì)整個(gè)滑坡體地面時(shí)刻發(fā)生的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可見(jiàn)，三維激光掃描技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不需事先埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠準(zhǔn)確反映坡體的總體變化趨勢(shì)，在滑坡監(jiān)測(cè)中具有較好的應(yīng)用前景。

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[2]王炎城，鐘煥良，石雪冬，等.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2015（3）：138～141.

[3]石琨，楊桂珍.淺談激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（36）：87.

P642.22

A

1004-7344（2016）32-0189-02

2016-10-16

邱平武（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事測(cè)繪工作。