點(diǎn)云檢測技術(shù)在高速公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

李濱 ，王漢順，段奇三，廖子敬

(1.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871;2.廈門閩礦測繪院，福建廈門 361004;3.天元集思(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 101300;4.北京昊云科技有限公司，北京 100085)

1 引言

點(diǎn)云是對(duì)英文point cloud的翻譯，是對(duì)利用三維激光掃描技術(shù)獲取的大量的、密集的、含有多種信息的散點(diǎn)數(shù)據(jù)的形象表述。三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云，能快速、高精度精確、全面地記錄目標(biāo)對(duì)象的三維空間位置信息、反射率的信息和色彩紋理信息等。點(diǎn)云的出現(xiàn)，為人們獲取豐富的空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。測繪人員從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)地獲取多點(diǎn)信息的面測量，從而提高了測量的效率，拓寬了測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

高速公路邊坡監(jiān)測的技術(shù)手段多種多樣，目前主要采用的方法有:常規(guī)測量、GPS測量、傳感器測量等。利用常規(guī)測量方式進(jìn)行變形監(jiān)測需要在變形體上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，需要在變形體上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，由于監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量有限、測量效率低、受天氣等因素影響大，測繪新技術(shù)的引入與研究對(duì)于提高邊坡監(jiān)測的工作的可靠性和效率有重要的意義。在監(jiān)測領(lǐng)域，國內(nèi)外也逐步開展了開展了包括災(zāi)害監(jiān)測、建筑物變形監(jiān)測、沉陷監(jiān)測等方面的研究［1～4］。

2 三維激光掃描技術(shù)和點(diǎn)云

三維激光掃描技術(shù)又稱作實(shí)景復(fù)制或高清晰測量(High Definition Survey，HDS)，是當(dāng)今最先進(jìn)的測量技術(shù)的體現(xiàn)之一。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。目前，三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等［5］。

地面型三維激光掃描儀按照工作原理可分為基于往返時(shí)間測量的脈沖式掃描儀和基于相位波測量的相位式掃描儀兩大類。在邊坡監(jiān)測中，比較適合采用長測程的脈沖式掃描儀。

點(diǎn)云作為三維激光掃描技術(shù)的原始數(shù)據(jù)，從內(nèi)業(yè)流程上改變了傳統(tǒng)測繪內(nèi)頁的作業(yè)模式，也為更多的定量分析和精確定性分析提供了可能。點(diǎn)云檢測就是一種常規(guī)測量手段無法實(shí)現(xiàn)的新型檢測技術(shù)，它是利用目標(biāo)對(duì)象的兩期掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，或是單期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型之間的對(duì)比，以檢測出不同時(shí)期檢測目標(biāo)的變化情況。由于點(diǎn)云是屬于面測量，因此其相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)測量，其分析是通過對(duì)大量點(diǎn)的擬合和統(tǒng)計(jì)分析，可以削弱范圍噪音，提高擬合成果精度［6］。點(diǎn)云檢測技術(shù)用于邊坡、橋梁、大壩等有需要變形監(jiān)測的對(duì)象，并能夠從整體上檢測出目標(biāo)對(duì)象的變形情況。

3 點(diǎn)云檢測技術(shù)用于監(jiān)測的流程和方法

應(yīng)用點(diǎn)云檢測技術(shù)，進(jìn)行高速公路邊坡的監(jiān)測，其數(shù)據(jù)獲取和處理的主要流程和方法如下:

(1)監(jiān)測控制點(diǎn)的布設(shè):控制點(diǎn)位埋設(shè)基礎(chǔ)要牢固、其穩(wěn)定性應(yīng)不受邊坡體影響，保證距離待觀測邊坡100 m內(nèi);

(2)控制點(diǎn)基準(zhǔn)值的測定:采用常規(guī)測量手段，建立監(jiān)測控制網(wǎng)點(diǎn)假設(shè)坐標(biāo)系;

(3)每次掃描前要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，以驗(yàn)證控制點(diǎn)是否有位移情況，待驗(yàn)證無誤后方可進(jìn)行掃描工作;

(4)利用三維激光掃描儀對(duì)待測邊坡實(shí)施三維激光掃描，同時(shí)掃描標(biāo)靶，擬合出標(biāo)靶中心站心三維坐標(biāo);

(5)利用全站儀免棱鏡功能，對(duì)標(biāo)靶靶心進(jìn)行坐標(biāo)測量;

(6)對(duì)采集到的邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行拼接，形成邊坡整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到控制點(diǎn)假設(shè)坐標(biāo)系下;

(7)對(duì)拼接好的邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行后期處理。剔除干擾數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)后，輸出點(diǎn)云坐標(biāo)文件，供三維數(shù)據(jù)分析處理軟件調(diào)用;

(8)在點(diǎn)云檢測軟件Geomagic中，導(dǎo)入邊坡兩期掃描點(diǎn)云，剔除噪音數(shù)據(jù)后分別構(gòu)建兩期實(shí)體模型，利用軟件的色譜分析法進(jìn)行模型面對(duì)比分析。色譜分析法的原理是利用采集的點(diǎn)云構(gòu)建出觀測對(duì)象的表面模型，通過兩期模型的疊加，將某一坐標(biāo)軸方向上的變化分量依據(jù)其數(shù)值的大小設(shè)定不同的顏色，每個(gè)顏色代表一個(gè)變化范圍，從而可視化的形成監(jiān)測對(duì)象的變化情況的一個(gè)色譜圖。色譜圖上顏色的數(shù)量和每一個(gè)顏色代表的變化范圍的大小可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。通常用暖色調(diào)表示正向變化，冷色調(diào)表示負(fù)向變化。因此從色譜圖中可以定性的直觀地看出邊坡體整體區(qū)域的變化量情況，為邊坡體的穩(wěn)定性分析提供更加全面和準(zhǔn)確的依據(jù)。同時(shí)對(duì)于任何一個(gè)感興趣的點(diǎn)或區(qū)域，可定量的輸出其在任意空間方向上的變形量的監(jiān)測報(bào)告。所以色譜分析法可以定性和定量的對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的監(jiān)測分析。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用色譜分析法進(jìn)行監(jiān)測的整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 基于點(diǎn)云的高速公路邊坡監(jiān)測流程

關(guān)于監(jiān)測的精度問題，主要涉及掃描精度和拼接精度，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這個(gè)問題也進(jìn)行了相關(guān)的研究［7～9］。本次實(shí)驗(yàn)中，拼接轉(zhuǎn)換殘差數(shù)值分析控制的公共點(diǎn)的拼接誤差均不超過 5 mm，因拼接轉(zhuǎn)換過程是掃描儀與全站儀兩種相互獨(dú)立測量方式的整體轉(zhuǎn)換與拼接，所以該拼接精度為包含各種測量誤差后的整體平差轉(zhuǎn)換精度。因此兩種測量方法所產(chǎn)生的各種誤差累積不超過 5 mm，也就是三維激光掃描獲取的點(diǎn)云用于監(jiān)測所能達(dá)到的監(jiān)測精度。

4 數(shù)據(jù)處理分析

本文選取了浙江上三高速公路上嵊段三處高邊坡體進(jìn)行監(jiān)測研究的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，選擇006號(hào)邊坡K209+672～K210+095、122號(hào)邊坡 K240+903～K241+103、130號(hào)邊坡:K258+749～K259+110三處不同類型的邊坡作為監(jiān)測試點(diǎn)，為完善邊坡安全防控體系，探索普遍適用且科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的邊坡監(jiān)測方案。本文以130號(hào)邊坡的數(shù)據(jù)為例介紹本次研究的方法和成果。

4.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)要求

后期數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵階段，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的科學(xué)性、有效性，在外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析階段主要遵循以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要求。

(1)在同一軟件、同一坐標(biāo)系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù);各次掃描數(shù)據(jù)根據(jù)控制點(diǎn)融合，做到同一坐標(biāo)系統(tǒng)比較。

(2)必須對(duì)無效點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，如植被遮擋數(shù)據(jù)、掃描范圍外的多余數(shù)據(jù)及其他干擾數(shù)據(jù)等，以保證數(shù)據(jù)分析的有效性。

(3)應(yīng)對(duì)掃描產(chǎn)生的噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并建立實(shí)體表面模型，在表面模型上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析的精度。

(4)內(nèi)業(yè)對(duì)比數(shù)據(jù)分析主要工作流程如下:點(diǎn)云數(shù)據(jù)整理——輸出有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)——在點(diǎn)云軟件中構(gòu)建實(shí)體模型——不同期實(shí)體模型數(shù)據(jù)的色譜分析。

4.2 邊坡數(shù)據(jù)分析

圖2是130號(hào)邊坡的原始假彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖3是兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加的點(diǎn)云檢測分析，三級(jí)坡面差值在 －0.003 m～0.001 m范圍之間;二級(jí)坡面兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加分析，左側(cè)差值在－0.003 m～0.001 m范圍之間;右側(cè)差值在 0.000 m～0.005 m范圍之間;一級(jí)坡面兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)疊加分析，左側(cè)差值在 －0.003 m～0.001 m范圍之間;右側(cè)差值在 －0.001 m～0.005 m范圍之間。綜合考慮儀器測量精度，可知邊坡體在本觀測周期內(nèi)并未發(fā)生明顯的變動(dòng)。

圖2 130號(hào)邊坡原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 剔除噪音后的130號(hào)邊坡色譜分析

4.3 重點(diǎn)部位監(jiān)測

在外業(yè)測量作業(yè)過程中，通過對(duì)邊坡體進(jìn)行巡視，可以發(fā)現(xiàn)一些較明顯地質(zhì)災(zāi)害隱患，如邊坡裂縫、邊坡滲水等情況，但對(duì)于隱患部位的災(zāi)害演化情況或變化量，通過常規(guī)方法很難測定。采用點(diǎn)云檢測技術(shù)，通過對(duì)災(zāi)害隱患部位進(jìn)行精細(xì)掃描測量，建立其精細(xì)表面模型，通過對(duì)模型進(jìn)行疊加對(duì)比分析，還可以測定其細(xì)微變化量，為災(zāi)害的分析預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 130號(hào)邊坡表面模型和色譜分析

圖4是130號(hào)邊坡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模后得到重點(diǎn)部位的表面模型和色譜分析圖。從圖上可以清晰的得到裂隙的分布情況和變化情況，并可進(jìn)行裂隙變化情況的定量檢測。

5 點(diǎn)云檢測技術(shù)用于監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢

利用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云進(jìn)行邊坡監(jiān)測，與其他技術(shù)手段相比，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)三維激光儀獲取的點(diǎn)云是面測量方式，可以對(duì)邊坡體進(jìn)行整體測量，獲取對(duì)象完整信息、保存測量時(shí)刻邊坡狀態(tài)信息、建立邊坡基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫;

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)將傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)的獲取多點(diǎn)信息，將點(diǎn)監(jiān)測變?yōu)槊姹O(jiān)測，克服傳統(tǒng)監(jiān)測以點(diǎn)代面的局限，可提高邊坡監(jiān)測工作的可靠性。

(3)測量及數(shù)據(jù)分析成果形象直觀，除可以對(duì)邊坡體進(jìn)行整體分析外，更可以對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測部位進(jìn)行精密監(jiān)測;

(4)激光掃描非接觸測量的方式、施工人員不需要靠近監(jiān)測對(duì)象即可進(jìn)行測量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)難以企級(jí)的目標(biāo)和危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行測量，確保人員安全，對(duì)道路交通無干擾;

(5)可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)監(jiān)測精度、構(gòu)建模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，數(shù)據(jù)精度更高;

(6)無需埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備、施工過程相對(duì)簡單、監(jiān)測費(fèi)用不高。

6 結(jié)論

利用三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高速公路邊坡監(jiān)測，具有速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字化的特點(diǎn)，可以快速獲取真實(shí)三維場景數(shù)據(jù)，徹底改變傳統(tǒng)測繪的單點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)獲取方式，為用戶提供了全新的測量記錄手段，更為測繪成果應(yīng)用的多樣性提供了可能。雖然目前點(diǎn)云檢測技術(shù)在監(jiān)測工作中應(yīng)用還處于起步階段，還有一些問題需要探討，但它自身所具有的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，必將成為監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，為邊坡工程安全管理及規(guī)劃設(shè)計(jì)提供全新的技術(shù)支持手段。

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