三維掃描技術在高陡邊坡測量中的應用

李政良

(湖南建筑高級技工學校 湖南城建職業技術學院，湖南長沙 410015)

0 引言

隨著激光測量技術的高速發展，激光三維掃描技術在土木工程領域得到了廣泛的應用［1］。在高陡邊坡治理工程施工測量中替代傳統攝影測量方法對高陡邊坡進行全區測圖，具有測量精度高、速度快等優點，在地形復雜、環境條件惡劣的山區其優越性更加明顯;高陡邊坡工程全貌、裂縫、危巖體等的測量與仿真、位移監測以及外觀全貌三維建模，為穩定性分析和治理工程設計提供可靠的依據;高陡邊坡工程危巖體積測量與應用以及快速輔助地質編錄，穩定性分析計算的地形數據獲取等［2］。本文結合激光三維掃描測量的原理，將其應用于復雜的高陡邊坡測繪中，并為工程治理提供基礎地質測繪數據，為穩定性分析提供依據，通過與傳統測繪方法進行對比，得出在測量的速效等方面三維激光掃描測量技術具有較大的優越性。

1 激光三維掃描系統的測量原理

不同的三維激光掃描儀，其工作原理并不相同，目前根據三維激光掃描儀種類的不同，激光三維掃描系統的測量原理可以分為以下三類:

1)利用脈沖測距技術，從固定中心點沿視線測量距離;

2)相位干涉掃描方法，利用連續波發射的激光，由光學干涉原理確定干涉相位，適用于近距離測量;

3)利用機構化光源和立體相機，建立立體投影關系，適用于近距離測量。

激光三維掃描儀是激光三維掃描系統的核心部分。主要采用TOF脈沖測距法，是一種高速激光測時、測距技術，其工作原理如圖1 所示［3］。

圖1 激光三維掃描系統測量原理

由激光掃描儀通過數據采集所獲得的s(測距觀測值)、α(橫向掃描角度觀測值)和θ(縱向掃描角度觀測值)，由此可知，掃描目標點的坐標為:

2 高陡邊坡工程概況

某高陡邊坡崩塌區呈南收斂北撒開的扇形，高80 m～120 m，長約300 m，后緣(南部)以危巖①后推30 m～50 m為界;北側以公路為界;東側以某工廠圍墻為界;西側以水泥路為界。該高斗邊坡危巖帶危險區面積2萬m2，危巖體體積約4 253 m3，其全貌圖如圖2所示。鑒于該高陡邊坡治理工程測量的艱巨性，使用常規的測量方法難以測量，在工程實踐中采用了三維激光掃描測量技術。

圖2 某高陡邊坡全貌

3 三維掃描測量應用

在激光三維掃描測量前，在待測高陡邊坡坡前布設了4個E級GPS點，并按照4等水準接測，使4個GPS控制點具有三維坐標。鑒于該高陡邊坡測量工程主要掃描測量邊坡坡面以及坡體危巖和裂縫部分，需掃描測量的范圍位于邊坡的坡面，需掃描距離大于100 m。由于常規激光掃描儀測程達不到工程要求，所以該工程采用巖石表面掃描最大測程為1 400 m，重復掃描精度8 mm的徠卡HDS8800型三維激光掃描儀。

4 內業擬合

利用內業數據處理軟件Cyclone，處理外業采集的三維點云數據。主要擬合對象為坡面危巖體以及邊坡裂縫。本項目中，共有3幅點云掃描圖。由于在單幅點云圖中，掃描點的誤差基本一致，所以相對位置關系是比較精確的［4，5］。不同點云圖間點的相對位置關系，要從它們是否處于同一個坐標系分析。本工程采用相對方式和絕對方式對點云數據進行拼接。利用掃描觀測露出坡面部分的危巖體，并確定其位置和大小，推算其坐標。根據誤差估算，邊坡上部掃描測量誤差投射到底部坐標計算時，誤差至少放大10倍，故邊坡上部危巖體擬合要求盡可能提高相對精度，擬合時應采用單站點云擬合，這樣有利于獲得較高的相對精度，最終得到端點底部坐標，且能避免點云拼接時相鄰點間誤差的影響和放大。

5 測量結果

該高陡邊坡測量地形圖的結果如圖3所示。在三維掃描測量的地形圖上能夠標記出危巖的大小和具體位置以及裂縫的發展情況，為邊坡工程治理提供了有力的依據。

圖3 某高陡邊坡三維掃描測量地形圖

6 結語

目前，三維激光掃描技術得到了廣泛的應用，高陡邊坡工程治理是一門實踐性很強的學科，傳統的測量方法效率不高。本文應用三維激光掃描技術對某具體高陡邊坡工程進行分析，三維激光掃描技術在高陡邊坡治理工程中的應用主要優點在于利用點的三維坐標查詢功能，獲取危險或人工難以企及的巖體或構造等的空間信息，并利用量測工具，進行幾何尺寸或角度量測，且能自動生成并輸出等高線。

［1］ 董秀軍.三維激光掃描技術及其工程應用研究［D］.成都:成都理工大學，2007.

［2］ 徐進軍，張民偉.地面3維激光掃描儀:現狀與發展［J］.測繪通報，2007(1):99-100.

［3］ PolyWorks Referenee Guide Version 8.0 for Windows:Innov Metric Software Inc.，2003.

［4］ 辛培建，韋宏鵠.三維激光掃描技術中的點云拼接精度問題探討［J］.山西建筑，2012，38(7):219-220.

［5］ 臧 克.基于Riegl三維激光掃描儀掃描數據的初步研究［J］.首都師范大學學報(自然科學版)，2007(28):121-123.

［6］ 范海英，楊 倫，邢志輝，等.Cyra三維激光掃描系統的工程應用研究［J］.礦山測量，2004(3):16-18.