變形監(jiān)測中地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

劉奎源

摘要：地質(zhì)災(zāi)害作為一種自然災(zāi)害，一旦在沒有防控的情況下發(fā)生，就會(huì)造成巨大的損失，為了準(zhǔn)確對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防控，本文特介紹了一種地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用，并且提出了對(duì)變形結(jié)果進(jìn)行分析的兩種方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。此技術(shù)相較于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，是一種可以有效作為變形監(jiān)測的方法。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測；三維激光掃描技術(shù)；掃描儀

1.引言

我國地域遼闊，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，所以也是地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家，因此研究人員針對(duì)此問題，研究出了多種方法對(duì)地質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，以此來減少地質(zhì)災(zāi)害造成的影響?，F(xiàn)今在對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，使用的是地面三維激光掃描儀的方法，而且相關(guān)人員也會(huì)對(duì)其進(jìn)行了研究分析，經(jīng)過分析之后表明了其可行性。

2.三維激光測量技術(shù)的應(yīng)用

2.1選擇地面三維激光掃描儀

在變形測量的過程中使用地面三維激光的方式有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，其不僅可以提升監(jiān)測的效率，還可以保證監(jiān)測的精度。而對(duì)于掃描儀的型號(hào)，隨著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，也變的越來越多。包括有Trimble、Leica等，其不同的型號(hào)也存在有較大的差異，所以，在實(shí)際的變形監(jiān)測當(dāng)中一定要結(jié)合具體的要求也進(jìn)行儀器的篩選。在對(duì)邊坡的變形進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，由于需要進(jìn)行大范圍的測量，所以在測程的選擇上應(yīng)該選擇測程相對(duì)較大的儀器，諸如VZ-400掃描儀。

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接

該掃描儀對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行掃描時(shí)，需要搭設(shè)的多個(gè)測站，然后獲取每一個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于測站的局部坐標(biāo)系存在差異，因此在對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，需要先將不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，然后將其展示到一個(gè)相同的坐標(biāo)系上，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行具體地分析對(duì)比，之后對(duì)變形情況進(jìn)行分析。為了對(duì)不同的坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，通常使用的方法有兩種，一種是先對(duì)不同的測站進(jìn)行數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，然后測出大地坐標(biāo)，坐標(biāo)的數(shù)量不得低于三個(gè)，隨后將已經(jīng)配準(zhǔn)過的數(shù)據(jù)直接在大地坐標(biāo)上進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第二種是在每一個(gè)搭建的測站上都布置大地坐標(biāo)，然后將數(shù)據(jù)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行對(duì)比分析。

3.變形分析的方法

3.1方法介紹

在使用該技術(shù)對(duì)變形的情況進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，主要是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體是在不同時(shí)期下對(duì)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測，然后獲取到相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過比較找出發(fā)生變化的信息，然后對(duì)這些信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變形情況的監(jiān)測。

3.2點(diǎn)云之間的比較

利用點(diǎn)云直接進(jìn)行比較，是先在不同時(shí)期下獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)作差，以此來獲得監(jiān)測對(duì)象具體的形變量，常用的方法有三種：一是最佳擬合面；二是Haus-dorff距離法；三是平均距離法。但是后兩者在使用的過程中容易受數(shù)據(jù)質(zhì)量影響，因此本文主要是對(duì)最佳擬合面法進(jìn)行分析，并以此來對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)問存在的差異進(jìn)行提取。該方法的具體步驟分為四步，第一步是先獲取到兩期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后對(duì)選定的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以此來清除在監(jiān)測過程中測得的噪聲點(diǎn)。第二步是建立針對(duì)性的索引結(jié)構(gòu)，如格網(wǎng)索引以及八叉樹等，以此來提升對(duì)數(shù)據(jù)的查找效率。第三步是對(duì)于所選擇第二期的點(diǎn)，在之前一期中K鄰域進(jìn)行查找。第四步是利用K鄰域點(diǎn)制作成平面。然后對(duì)其他需要分析的點(diǎn)到平面的距離進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算的結(jié)果與閾值進(jìn)行對(duì)比，距離大于該值，則將其視為變化點(diǎn)。

3.3點(diǎn)云模型之間的比較

模型之間對(duì)比相較于上文的方法，多了一個(gè)過程，就是在獲得監(jiān)測對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，先按照這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立相關(guān)的模型，其次直接對(duì)模型進(jìn)行求差，或者比較其相關(guān)的關(guān)系，以此來對(duì)監(jiān)測中產(chǎn)生的變量信息進(jìn)行提取。在對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取時(shí)，可以先根據(jù)數(shù)據(jù)制作成DEM模型，然后在該模型上對(duì)變量進(jìn)行提取。具體的模型比較步驟分為四步，一是先獲取到相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行濾波處理，以此來消除在獲取數(shù)據(jù)的過程中受到外界干擾較大的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的精確性；二是利用處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的構(gòu)建；三是對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)建立模型之后的坐標(biāo)系以及精度進(jìn)行統(tǒng)一，以前期數(shù)據(jù)建立的模型為評(píng)判模型，將之后建立的模型使用內(nèi)插的方法插入到評(píng)判模型當(dāng)中，然后對(duì)模型圖中的所有坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，進(jìn)而使得建立的模型更加準(zhǔn)確；四是根據(jù)模型上面顯示出來的變化情況來對(duì)變形的程度進(jìn)行分析。

4.試驗(yàn)分析

選用了兩期模擬數(shù)據(jù)來進(jìn)行試驗(yàn)，將一期數(shù)據(jù)作為墻面，然后使用另外一期數(shù)據(jù)在墻面上模擬了3處已經(jīng)存在有形變的區(qū)域。具體如圖1所示，分別在墻面放了三個(gè)物件，以此來作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。即一本書（3cm厚），一個(gè)盒子（4cm厚），一個(gè)筆記本（8mm厚）。

隨后對(duì)這些變形區(qū)域使用該技術(shù)進(jìn)行掃描，隨后獲得相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體如圖2所示。

在對(duì)這組數(shù)據(jù)的變形程度進(jìn)行分析時(shí)，其使用的方法是點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的直接對(duì)比，設(shè)置的具體閾值大小為1.7cm。具體的變量提取結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以直觀地看出，書本以及盒子均可以提取出來，而較薄的本子卻無法被提取，由于掃描儀的精度只有1cm，以此在對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)置時(shí)，必須要大于掃面精度，由于筆記本的厚度未能達(dá)到1cm，所以該區(qū)域無法在掃描儀上顯示。

通過以上三幅圖片，可以有效地判斷出，如果形變的范圍已經(jīng)超出了掃描儀的精度，則在對(duì)其進(jìn)行測量時(shí)，形變的位置一定會(huì)在掃描儀上顯示出來。

5.結(jié)束語

本文主要是對(duì)其在地面變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，以此來驗(yàn)證將其應(yīng)用到該領(lǐng)域的可行性。在未來的社會(huì)發(fā)展過程中還應(yīng)不斷地摸索出更加先進(jìn)的監(jiān)測方法，以此來對(duì)原有的監(jiān)測方法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，在保證精度的同時(shí)，還能在最大程度上提升監(jiān)測的效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自身的長足發(fā)展。