基于三維激光掃描技術(shù)的大壩安全監(jiān)測(cè)方法研究

郜士彬，王 康，沈宗覬，保振永

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650000)

1 研究背景

目前我國(guó)注冊(cè)備案大壩共663座，超過5100億m3的庫(kù)容，壩高超過100m的有152座，超過200m的有17座，主要有重力壩、土石壩、拱壩和混合壩等類型，大壩安全監(jiān)測(cè)貫穿大壩建設(shè)、竣工運(yùn)營(yíng)、維護(hù)各個(gè)階段。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法以“點(diǎn)”式監(jiān)測(cè)為主，儀器多用全站儀、GNSS、經(jīng)緯儀等。傳統(tǒng)手段測(cè)點(diǎn)精度高，但是獲取局部點(diǎn)位信息，對(duì)于復(fù)雜地形的變形監(jiān)測(cè)，布點(diǎn)數(shù)量增加，監(jiān)測(cè)成本增加，有些滑坡地形非常危險(xiǎn)，不便于布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加上監(jiān)測(cè)點(diǎn)很容易隨著變形體破壞。葛山運(yùn)[1]、羅江運(yùn)用GPS/BDS組合定位方法在大壩安全監(jiān)測(cè)上，譚林使用三頻GPS組合精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)方法研究，崔鵬飛利用GNSS和測(cè)量機(jī)器人組合的方法進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)研究，郭保、李小偉等研究了多基站GNSS自動(dòng)化大壩變形監(jiān)測(cè)方法，劉千駒研究了小波函數(shù)提高大壩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量中的應(yīng)用，李明使用精度優(yōu)于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型來表征變形趨勢(shì)，孫志豪利用SBAS監(jiān)測(cè)方法對(duì)大壩不同區(qū)域的沉降量與變形速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來，開始研究基于三維激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)方法。通過非接觸的方式進(jìn)行獲取變形體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，該方式可以快速獲取海量變形體的連續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，梁沖、李慶松等提出了一種機(jī)載LIDAR和多波束系統(tǒng)組合方法獲取水上水下地形數(shù)據(jù)的解決方案，吳運(yùn)通、范泯進(jìn)、楊傳訓(xùn)等研究了三維激光掃描技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用方法。

基于三維激光掃描技術(shù)的大壩安全監(jiān)測(cè)方法，是通過不同周期觀測(cè)，進(jìn)行點(diǎn)、線、面多期數(shù)據(jù)對(duì)比分析，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)分析變形體整體的一個(gè)變形趨勢(shì)和規(guī)律，制定相應(yīng)的預(yù)防和整改措施。本文提出使用三維激光掃描技術(shù)，定期對(duì)土石大壩進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Hausdorff距離法進(jìn)行多期點(diǎn)云變形分析，運(yùn)用色譜統(tǒng)計(jì)變形量。本文結(jié)合糯扎渡項(xiàng)目研究三維激光掃描技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。

2 技術(shù)路線

大壩變形是一個(gè)緩慢而持續(xù)的過程，需要對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)制定最佳掃描方案。本文采用澳大利亞MAPtek生產(chǎn)的I-SITE8810三維激光掃描儀，在大壩L3-L8測(cè)線進(jìn)行三維激光掃描設(shè)站點(diǎn)布設(shè)，以電廠GNSS及視準(zhǔn)線監(jiān)測(cè)的工作基點(diǎn)作為激光掃描監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)。三維激光掃描儀觀測(cè)應(yīng)選擇天氣良好情況下進(jìn)行，將三維激光掃描儀依次分別架設(shè)在觀測(cè)墩上，在觀測(cè)期內(nèi)對(duì)大壩迎水面和背水面邊坡及兩岸邊坡進(jìn)行三維掃描觀測(cè)，如圖1所示。三維激光掃描主要技術(shù)流程：(1)控制測(cè)量，包含選點(diǎn)、埋設(shè)、觀測(cè)、計(jì)算、檢查及整理成果；(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，包含踏勘、準(zhǔn)備、掃描站點(diǎn)布設(shè)、三維激光掃描、數(shù)據(jù)下載存儲(chǔ)、外業(yè)資料整理；(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，包含點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云配準(zhǔn)、平差報(bào)告、點(diǎn)云導(dǎo)出和數(shù)據(jù)整理等；(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，包含點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云分類、點(diǎn)云抽稀和分割等；(5)三維模型建立，包含構(gòu)建三角網(wǎng)、漏洞編輯處理、拓?fù)渚庉?、檢查和成果整理等；(6)紋理貼圖，包含照片采集、勻光勻色、貼圖、檢查和成果歸檔。

圖1 大壩三維測(cè)站布設(shè)圖

2.1 布設(shè)站點(diǎn)

測(cè)站點(diǎn)的選擇是三維測(cè)量中非常重要的環(huán)節(jié)，測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)精度直接影響了三維測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量精度，要選擇密度均勻、距離適中的高精度控制點(diǎn)或者長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的基點(diǎn)觀測(cè)墩作為三維激光掃描儀的設(shè)站點(diǎn)。2018年三維掃描測(cè)量項(xiàng)目為了能夠和2016年的三維掃描測(cè)量數(shù)據(jù)良好銜接，所以2018年兩期測(cè)站點(diǎn)的設(shè)置與2016年的三維掃描設(shè)站點(diǎn)一樣，共設(shè)測(cè)站點(diǎn)10個(gè)。如圖2所示。

圖2 大壩掃描工作示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格遵循以下步驟作業(yè)：(1)在壩體部分表面點(diǎn)上安裝標(biāo)志牌，并用全站儀精確獲取坐標(biāo)；(2)壩體及扁鋼掃描距離控制在100m范圍內(nèi)；(3)同一測(cè)站，為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性，采用反復(fù)觀測(cè)兩測(cè)回的方式進(jìn)行；(4)在后視點(diǎn)的選擇過程中，找準(zhǔn)相對(duì)較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)，以減少后視誤差；(5)選取大氣穩(wěn)定，日照適中的觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，保證了點(diǎn)云精度質(zhì)量及色彩質(zhì)量；(6)未在逆光條件下進(jìn)行觀測(cè)；(7)根據(jù)三維激光掃描儀檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和誤差改正。

2.3 測(cè)站精度驗(yàn)證

測(cè)站精度主要分為內(nèi)符合精度和外符合精度。

內(nèi)符合精度主要指同一測(cè)站不同時(shí)刻測(cè)量同一目標(biāo)時(shí)，兩期數(shù)據(jù)間的內(nèi)符合程度。在本項(xiàng)目中，采用L5-GTP-08_HY_C8L測(cè)站所觀測(cè)的同期兩測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)符合精度的評(píng)定驗(yàn)證，截取測(cè)站相同觀測(cè)范圍的兩期數(shù)據(jù)點(diǎn)云文件，通過數(shù)據(jù)過濾分類，得到壩面觀測(cè)點(diǎn)云文件，在同一位置切取部分點(diǎn)云進(jìn)行建模分析，如圖3—4所示。

圖3 L5-GTP-08_HY_C8L02點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 L5-GTP-08_HY_C8L01點(diǎn)云數(shù)據(jù)

采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行點(diǎn)之間的分析對(duì)比如圖5—6所示。

圖5 比較結(jié)果(橫坐標(biāo)為m，縱坐標(biāo)為點(diǎn)數(shù))

圖6 比較結(jié)果(橫坐標(biāo)為m，縱坐標(biāo)為點(diǎn)數(shù))

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，綠色柱子為兩組數(shù)據(jù)分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集中在±8mm以內(nèi)，紅色數(shù)據(jù)由于該位置無重疊點(diǎn)云數(shù)據(jù)所致，整體內(nèi)符合精度可以達(dá)到±8mm以內(nèi)。

外符合精度主要指不同測(cè)站同一時(shí)刻測(cè)量相同目標(biāo)時(shí)，兩站數(shù)據(jù)間的相互吻合度，保證同期觀測(cè)數(shù)據(jù)成果的正確性。在本次作業(yè)的過程中，采用L6GP07_HY_C4L_01測(cè)站及L6GP08_HY_C4L_01測(cè)站截取點(diǎn)云模型觀測(cè)數(shù)據(jù)，在兩站觀測(cè)數(shù)據(jù)中，截取同一位置的坡面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、表面模型構(gòu)建，進(jìn)行精度分析。

選取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離測(cè)站較近，根據(jù)誤差傳播規(guī)律，測(cè)點(diǎn)范圍約100m的條件下，點(diǎn)云數(shù)據(jù)外符合精度優(yōu)于±10mm，由分析成果可知，各測(cè)站外部符合精度較佳，。

綜上所述，通過數(shù)據(jù)分析及評(píng)定：采用TM30/RTK實(shí)測(cè)基點(diǎn)，三維激光掃描儀所測(cè)100m范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度優(yōu)于±10mm。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括測(cè)站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)拼接、點(diǎn)云濾波分類和大壩分析模型構(gòu)建3個(gè)方面。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配，準(zhǔn)根據(jù)測(cè)站定向法進(jìn)行拼接，每個(gè)測(cè)站進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、定向方位角、溫度、氣壓等參數(shù)的輸入，軟件自動(dòng)進(jìn)行測(cè)站配準(zhǔn)，將所有配準(zhǔn)后數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

點(diǎn)云濾波分類，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中除大壩以外的部分點(diǎn)云進(jìn)行分類、提取，包括扁鋼、護(hù)欄、觀測(cè)墩、觀測(cè)房、建筑、花臺(tái)、過道、交通指示牌等。

大壩模型構(gòu)建，將配準(zhǔn)、分類完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建大壩mesh模型，劃定變形分析范圍，多期數(shù)據(jù)按照分析范圍進(jìn)行處理。如圖7—8所示。

圖7 大壩三維掃描數(shù)據(jù)

圖8 三維分析模型構(gòu)建

2.5 變形分析

本文采用Hausdorff距離法進(jìn)行多期點(diǎn)云的變形分析，Hausdorff距離是描述兩組點(diǎn)云之間相似度的一種量度，是兩組點(diǎn)云之間差異的一種表達(dá)。假設(shè)有兩個(gè)點(diǎn)云集合A={a1，…，an}，B={b1，…，bn}，則這兩個(gè)點(diǎn)云集合之間的Hausdorff距離定義為：

H(A，B)=Maxa∈A{minb∈B{d(a，b)}}

(1)

式中，a、b—集合A與集合B中的點(diǎn)；d(a，b)—a與b之間的歐式距離(Euclidean距離)。

Hausdorff距離度量了兩組點(diǎn)云間的最大不匹配程度，距離越大，則表示匹配程度越差，反之，則表示匹配程度高。

使用開源的Cloud compare點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行多組點(diǎn)云的Hausdorff距離法變形分析，從整體上分析大壩變形趨勢(shì)。

3 工程實(shí)例

通過對(duì)糯扎渡電站2018年兩期數(shù)據(jù)和2016年兩期數(shù)據(jù)選取相同分析范圍內(nèi)點(diǎn)云，將2016年1期數(shù)據(jù)作為大壩變形分析的首期數(shù)據(jù)，剩余的3期數(shù)據(jù)構(gòu)建模型與其進(jìn)行變形分析，使用Cloud compare點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行Hausdorff距離法疊加對(duì)比分析，得到分析成果，分別是2016年2期和2016年1期的數(shù)據(jù)比較結(jié)果圖、2018年1期和2016年1期的數(shù)據(jù)比較結(jié)果圖、2018年2期和2016年1期的數(shù)據(jù)比較結(jié)果圖，如圖9—12所示。圖中所有表格橫坐標(biāo)單位為m，縱坐標(biāo)單位為點(diǎn)個(gè)數(shù)。4期變形值數(shù)據(jù)見表1。

表1 4期大壩掃描數(shù)據(jù)變形值統(tǒng)計(jì)表

圖9 2016年2期—2016年1期大壩變形分析成果圖

圖10 2018年1期—2016年1期大壩變形分析成果圖

圖11 2018年2期—2016年1期大壩變形分析成果圖

圖12 2018年2期—2018年1期大壩變形分析成果圖

從這4期數(shù)據(jù)整體分析成果來看，大壩中心軸線(壩頂路面)是趨于下沉的，從2016年2期、2018年1期和2018年2期的數(shù)據(jù)比較結(jié)果圖中可看出，比較差值從正到負(fù)變化，絕對(duì)值逐漸增大，變化量由最初的8cm以內(nèi)，到10cm以內(nèi)，到2018年2期觀測(cè)的時(shí)候，變化量最大的地方有16cm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合糯扎渡三維掃描項(xiàng)目，定期對(duì)大壩進(jìn)行掃描獲取了4期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Hausdorff距離法進(jìn)行多期點(diǎn)云變形分析，運(yùn)用色譜統(tǒng)計(jì)兩期之間的變形量，本文可以得到以下結(jié)論。

(1)三維激光掃描測(cè)站點(diǎn)位選擇合理，點(diǎn)位盡可能少，設(shè)站越多，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)誤差越大。

(2)采用了多種方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗(yàn)證，保證了數(shù)據(jù)采集結(jié)果的精度及正確性，本次工作中，地面三維激光掃描整體數(shù)據(jù)精度≤10mm。

(3)三維激光掃描技術(shù)可以很好地應(yīng)用在表面相對(duì)平整的土石壩進(jìn)行變形分析，Hausdorff距離法可以很直觀地表現(xiàn)出大壩整體的變形位置及變形量，達(dá)到了對(duì)大壩整體的變形趨勢(shì)和規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)。