關(guān)于三維激光掃描技術(shù)在高邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討

歐耀祥

摘要：結(jié)構(gòu)面地形數(shù)據(jù)收集的精度與效率是工程建設(shè)階段評(píng)估巖體構(gòu)造穩(wěn)固的重要技術(shù)難點(diǎn)，為了不斷提升高邊坡信息收集的效率及精度，文章以3D激光掃描技術(shù)（也稱作實(shí)景復(fù)制技術(shù)）為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述與分析了該技術(shù)的工作原理，對(duì)地表3D激光掃描工藝在高邊坡測(cè)試中的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)研究。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描法；高邊坡；監(jiān)測(cè)應(yīng)用

以往的全站儀與GPS等測(cè)繪方法，針對(duì)區(qū)域內(nèi)連續(xù)信息采集性能明顯不夠，而且針對(duì)部分地形比較繁瑣、高度很高和坡度很陡的地區(qū)，以往的監(jiān)測(cè)方式操作困難，以往的監(jiān)測(cè)方式對(duì)目標(biāo)地區(qū)內(nèi)全貌測(cè)量的地形區(qū)域就無(wú)能為力。

實(shí)景復(fù)制技術(shù)借助激光單色特點(diǎn)、方向性、相干性及高亮度等性質(zhì)，在重視監(jiān)測(cè)速度與操控簡(jiǎn)便的基礎(chǔ)上，確保了監(jiān)測(cè)的整體精度，其監(jiān)測(cè)原因重點(diǎn)分成測(cè)距、監(jiān)測(cè)方向、掃描和定向。

1. 3D激光掃描技術(shù)的基本原理

3D激光掃描法的基本原理見(jiàn)圖1。在掃描儀內(nèi)，兩反光鏡在迅速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，把脈沖發(fā)射物傳出的窄束激光脈沖逐一對(duì)被測(cè)地區(qū)展開(kāi)掃描，經(jīng)對(duì)每種激光脈沖由發(fā)出至被測(cè)地區(qū)再返入儀器所需時(shí)間對(duì)二者間距進(jìn)行測(cè)算，并利用編碼器轉(zhuǎn)變不同脈沖方向的監(jiān)測(cè)結(jié)果，就能獲得被測(cè)物件的3D精準(zhǔn)坐標(biāo)。而且，按照兩反射鏡的方向值，可以獲得激光束水平和豎直方位的數(shù)據(jù)，隨后再測(cè)算脈沖激光傳遞時(shí)間，獲取3D激光掃描儀至掃描位置的長(zhǎng)度，這樣獲得掃描的3D坐標(biāo)參數(shù)，而反射位置的顏色就通過(guò)反射強(qiáng)度予以確定。

2. 3D激光掃描法在高邊坡測(cè)量中的使用

2.1信息采集

根據(jù)高邊坡的具體地理情況，采用Trimble GX200類型的3D激光掃描設(shè)備，把邊坡劃分成兩站展開(kāi)大范圍掃描。在進(jìn)行掃描時(shí)，基于邊坡的實(shí)際長(zhǎng)度，在其對(duì)面部位建站，兩個(gè)掃描點(diǎn)分別對(duì)所選范圍展開(kāi)掃描。在明確具體的掃描密度之后，制作出相應(yīng)的掃描點(diǎn)云信息圖。所以，掃描過(guò)程需要相鄰場(chǎng)景的兩次掃描需有相應(yīng)的重疊部分，便于在處理系統(tǒng)內(nèi)對(duì)掃描獲得的點(diǎn)云信息實(shí)現(xiàn)拼接匹配。因此，在掃描前要簡(jiǎn)單勘探掃描區(qū)域，科學(xué)制定儀器的安裝方案?？茖W(xué)有效地監(jiān)理掃描機(jī)位，對(duì)收集高質(zhì)量3D信息、提升監(jiān)測(cè)精度、充分體現(xiàn)場(chǎng)景細(xì)節(jié)具有十分關(guān)鍵的作用。

2.2信息處理

信息處理要分別從信息圖像劃分、點(diǎn)云信息配備、點(diǎn)云過(guò)濾和信息決定定位和拼接等進(jìn)行處理。

深入劃分圖像。依靠地區(qū)內(nèi)圖像劃分，可以把圖像分類成多個(gè)區(qū)域，結(jié)合劃分后的具體結(jié)果，可以對(duì)圖像展開(kāi)深度處理和研究。

點(diǎn)云信息的配置。這一工作的根本目的是把點(diǎn)云坐標(biāo)加以轉(zhuǎn)變，將之引入大地坐標(biāo)中心內(nèi)進(jìn)行分析。在轉(zhuǎn)變環(huán)節(jié)，標(biāo)識(shí)點(diǎn)的匹配方式是：把主次掃描中第一副點(diǎn)云標(biāo)識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，以空間坐標(biāo)點(diǎn)的間隔值為基礎(chǔ)，基于動(dòng)態(tài)分割層組成層嵌套；隨后，將逐一掃描開(kāi)始的第一個(gè)幅點(diǎn)云當(dāng)做基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)其和第二幅點(diǎn)云標(biāo)識(shí)點(diǎn)加以匹配。

點(diǎn)云過(guò)濾。點(diǎn)云過(guò)濾的功能主要包含兩點(diǎn)，過(guò)濾掉噪音點(diǎn)與減少點(diǎn)云密度。在信息拼接上，能引進(jìn)多視點(diǎn)云拼接方法，把不同坐標(biāo)系通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變處理集中到同個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，從而把不同方向的掃描信息進(jìn)行集成，使之組成一個(gè)完善的3D結(jié)構(gòu)。掃描儀運(yùn)行階段，首先開(kāi)展垂直角度的線掃描，再根據(jù)確定的水平角辨別率水平移動(dòng)，接著開(kāi)展垂直角度的線掃描，如此的操作過(guò)程盡管有較好規(guī)律，但獲得的點(diǎn)云實(shí)質(zhì)上依舊非常分散[1]。創(chuàng)模以前對(duì)點(diǎn)云實(shí)施平滑是很重要的。此外，針對(duì)相當(dāng)多的創(chuàng)模主體，初始點(diǎn)云信息的密度很大，無(wú)謂增多了信息量，信息簡(jiǎn)化是很重要的。

點(diǎn)云過(guò)濾處理兩點(diǎn)內(nèi)容：其一，過(guò)濾點(diǎn)云內(nèi)的噪聲點(diǎn)；其二，減少點(diǎn)云密度。信息點(diǎn)濾波的途徑通常有高斯、平均和中值與曲率濾波方法。高斯濾波設(shè)備在特定區(qū)域中的權(quán)重是高斯布局，其平均效果很小，因此在濾波基礎(chǔ)上可以很好保持原信息的外貌。平均濾波法使用濾波窗口內(nèi)的各信息點(diǎn)平均值。中值濾波方式就是采集濾波窗口中各信息點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。曲面濾波是按照曲率的改變確定點(diǎn)的取舍，在曲線改變大的區(qū)域保留很多的點(diǎn)，但在曲率改變小的位置，過(guò)濾掉多余的點(diǎn)。針對(duì)零散點(diǎn)云信息，采取隨機(jī)取樣的方式；針對(duì)掃描點(diǎn)云信息，能采取等間隔縮減、倍率減少、等量減少積弦誤差等方式；網(wǎng)格化點(diǎn)云能采取等布局密度法與最小包圍范圍法進(jìn)行信息簡(jiǎn)化[2]。信息精簡(jiǎn)僅僅是減少了信息兩個(gè)，并未對(duì)信息進(jìn)行調(diào)整。

信息的絕對(duì)定位與拼接。多視點(diǎn)云拼接屬于點(diǎn)云信息處理的重要方法，多視點(diǎn)云拼接即將部分坐標(biāo)結(jié)構(gòu)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)變集中到一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，進(jìn)而將多方面的掃描哦信息合為完整的3D模型。當(dāng)前，點(diǎn)云拼接方式主要包含使用標(biāo)定對(duì)象憑借、ICP算法等等。

2.3信息分析

信息分析一般選用Real Works Survery系統(tǒng)。一般情況下，信息分析被分成兩個(gè)模式，分別是Registration模式與Office Survery形式。其中，Registration研究模式下，能利用重疊點(diǎn)云部分把一組掃描信息和其它掃描信息相匹配，如果信息來(lái)自于標(biāo)靶掃描，那么要先對(duì)其中匹配物體展開(kāi)研究，隨后，把相應(yīng)掃描實(shí)景同時(shí)加以匹配，從而把相關(guān)結(jié)果存儲(chǔ)到一個(gè)報(bào)告內(nèi)，此外，還能借助地理參考工具來(lái)存儲(chǔ)掃描信息，存儲(chǔ)的部位在已知坐標(biāo)軸之中；在Office Survery分析形式中，Real Works Survery系統(tǒng)能從云點(diǎn)之中采集不同種類的2D圖像，經(jīng)分析相關(guān)信息，選取并匹配相關(guān)的2D圖像到點(diǎn)云，進(jìn)而形成一次和反復(fù)正射圖形，從而對(duì)單一點(diǎn)云的體積展開(kāi)計(jì)算與分析，并形成相關(guān)測(cè)量圖。

2.4信息成果

對(duì)處理后的點(diǎn)云信息加以封裝，調(diào)整后獲得監(jiān)測(cè)范圍的3D模型。

（2）1：500大比例尺加工通過(guò)采集特征點(diǎn)的方式，把采集后的特征點(diǎn)引入CASS內(nèi)展開(kāi)地形圖描繪。

（3）信息高程模型的創(chuàng)模方式主要包括四種：根據(jù)點(diǎn)的創(chuàng)模方式、依靠三角形的創(chuàng)模方式、借助網(wǎng)格的創(chuàng)模方式以及將其中隨意兩種統(tǒng)一起來(lái)的混合創(chuàng)模方式[3]。因?yàn)樵夹畔⑹屈c(diǎn)云信息，因此采取依靠點(diǎn)的創(chuàng)模方式。

（4）在創(chuàng)建好的3D模型內(nèi)，在所需的部位截取線性圖形，得到的線性圖導(dǎo)進(jìn)CASS內(nèi)展開(kāi)橫縱斷面圖制作。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)3D激光掃描技術(shù)的基本原理分析，研究結(jié)果顯示，3D激光掃描方法可以更加精準(zhǔn)的采集高邊坡坡體地表的改變情況，對(duì)高邊坡施工工作的順利開(kāi)展有較大保障意義，同時(shí)，針對(duì)后期高邊坡經(jīng)營(yíng)管理者對(duì)邊坡的全面監(jiān)測(cè)及管理帶來(lái)了很大的方便。

【參考文獻(xiàn)】

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