三維激光掃描技術在邊坡變形監測的應用

深圳市長勘勘察設計有限公司

摘要：三維激光掃描技術應用范圍也越來越廣，利用三維激光掃描技術采集數據具有效率高，數據量大，速度快等諸多優點，而且其數據本身具有較高的精度。本文就三維激光掃描技術在邊坡變形監測的應用進行探討。

關鍵詞：變形監測 三維激光掃描

前言

20世紀90年代中期出現并發展起來的三維激光掃描技術，可以簡單高效地獲取變形體的三維數據，把以前以點代面的監測方法改變為全局性的整體監測方法，全面地掌握變形體的變形過程和變形規律，豐富變形測量的內涵。與傳統的滑坡監測技術相比，三維激光掃描技術具有無需事先埋設監測設備、無接觸測量、監測速度快、測量精度高、能夠反映坡體的總體變形趨勢等特點，可以快速獲取高密度、高精度的三維點云數據，經數據處理及建模后可以得到整個變形監測體的變化信息，對監測結果進行研究可掌握其變形發展規律，開展滑坡災害預報研究。本文采用RIEGL VZ一1000脈沖式三維激光掃描系統，以監測某立交橋的邊坡變形為實例，進行數據采集，引入第三方點云數據處理軟件Geomagic Studio和Geomagic Qualify進行后期數據處理和變形分析，研究了邊坡擋墻監測的技術路線以及監測數據處理方法。

1 地面三維激光掃描技術的基本原理

地面三維激光掃描系統主要由掃描儀、計算機、電源供應系統和其他附件設備組成。激光掃描儀本身包括激光測距系統和成像系統，同時也集成了CCD和儀器內部控制及校正系統等（如圖1所示）。

圖1固定式地面激光掃描系統示意圖

激光掃描儀的測距方法是根據光學三角測量的原理，以激光作為光源，將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據光點或光條在物體上成像的偏移，通過被測物體基平面、像點、像距等之間的關系，計算物體的深度信息（如圖2所示）。

圖2激光三角法原理圖

激光掃描儀的發射器通過激光一極管發射近似紅外波的安全激光束，對所測對象進行立體面狀掃描。在掃描儀內，掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的水平方向值a和大頂距值。借助設備獲取從物體上反射回來的激光，通過測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間或相位差，計算出激光掃描儀到物體掃描點之間的距離值S和反射強度I，a，和S用來計算激光打在被測物體上的掃描點的三維坐標。三維激光掃描測量一般使用儀器內部坐標系統，X軸在橫向掃描面內，Y軸在縱向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此得到點坐標的計算公式：

X=Ssinsina

Y=Ssincosa （1）

Z=Scos

2 地面三維激光掃描儀選用

變形監測要求測量儀器具有較高的數據采集精度，測量數據處理后要具有精確建模精度，部分高邊坡還要求測量儀器具有高仰角測量功能。根據這些要求，選用了奧地利RIEGL公司推出的R1EGL VZ一1000激光掃描儀，其采用了脈沖法測距方式，擁有RIE GL獨一無二的全波形回波技術和實時全波形數字化處理和分析技術，每秒可發射高達300000點的纖細激光束，提供高達0.0005。的角分辨率，掃描距離可達1.4 kma除此以外，

基于R1GEL獨特的多棱鏡快速旋轉掃描技術，能夠產生完全線性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點云線。接口方面預留了C PS和數碼相機接口，可在儀器上部連接CPS設備進行實時定位，連接數碼相機進行影像同步采集。RIEGL VZ一1000激光掃描儀的基本性能參數見表1

表1 RIEGL VZ一1000激光掃描儀參數表

儀器

型號掃描距離、

（目標反射

率為

800%）/m掃描視場角（水平垂直）/°測量精度

mm /m測量速度

點/s激光安全等級外部

操作

控制連接

方式

RIEGLVZ-10001.5-1400360×1005/100300000Class1PC，PDALAN/WLAN，無線

3 技術路線設計

圖3變形監測基本流程圖

變形監測的任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態和時間特征；目的是要掌握變形體的實際狀態，為判斷其安全提供必要的信息。在實際作業時，根據變形監測的特點，其坐標系統可采用獨立的變形監測坐標系統，也可與城市控制或國家坐標系統聯測。基于三維激光掃描技術的變形監測基本流程如圖3所示。

4 邊坡監測

本次對某立交橋的部分邊坡擋墻進行監測。前期采用常規手段對該擋墻進行監測，己布設了變形監測基準點和工作基點，經檢校其滿足變形監測精度要求，直接作為地面三維激光掃描儀進行掃描觀測的控制點（如圖4所示）。

圖4 大橋立交邊坡擋墻變形監測控制示意圖

4.1數據采集

掃描數據外業采集，采用“測站點+后視點”的測量方式，在DQ1上架設掃描儀，在DQ2和DQ3上架設標靶，其中DQ3作為后視定向點，DQ2作為檢校點。掃描測站點距監測擋墻20m左右，為保證較高的采樣精度和外業作業效率，點云分辨率設置為100 m距離0.05 m，每次掃描時間在10 min左右，每站對監測目標掃描4次。在常規觀測的同時，選取部分邊坡擋墻，采用掃描儀進行了兩期掃描。

4.2點云數據預處理

將掃描得到的點云數據導入隨機軟件Riscan Pro中，同時將控制點坐標信息錄入到軟件中，運用軟件的Back-sighting orientation功能對點云數據進行坐標轉換，得到在大地坐標系下的原始點云數據。由于原始點云數據存在許多雜點和多余數據，通過對其進行剔除處理，得到擋墻的點云數據。

將通過預處理的點云數據，以通用的文本格式輸出，以便后期第三方軟件調用。

4.3點云數據建模

點云數據建模采用Geomagic Studio軟件，是由美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為N URBS曲面，也可根據任意實物零部件自動生成準確的數字模型。

將預處理輸出的文本格式點云數據調入GeomaGeomagic Studio軟件中，通過對點云數據進行著色、離散點刪除、去噪、抽稀、封裝，得到三角網模型后，利用軟件的“松弛”功能對三角網模型進一步優化，使三角網模型更加平滑，接近真實實體。

分別將兩期數據按上述流程進行處理，把得到的三角網模型導入Geomagic Qualify軟件進行變形分析。

4.4邊坡變形分析

邊坡分析軟件采用美國Geomagic公司提供的Geomagic Qualify，這個軟件可以準確、快速地檢測到CAD三維數字參考模型與實際構造部件之間的尺寸誤差，并自動地將這種比較結果的差異以直觀、易懂的色譜圖形式顯示出來，可以進行形位誤差的比較、評估等。

將經過處理得到的兩期三角網模型調入Geomagic Qualify軟件中，將第一期數據設置為參考數據，第一期數據設置為測試數據。運用“3 D比較”功能對模型數據進行比較。

通過3D比較分析，得到兩個模型之間的最大偏差正負分別為+0.012 3 m和-0.014 7 m；平均偏差為0.000 2 m，正負分別為+0.0018m和-0.002 4 m；標準偏差為0.002 8 m。可以看出兩期數據表面偏差分布不均勻，出現該情況的原因是邊坡表面不平滑，導致建立的模型表面平滑度不高所致。根據其平均偏差在毫米級且值很小，說明兩期數據之間沒有發生明顯變化。

在3D分析結果基礎上運用軟件提供2D比較功能，在邊坡擋墻上分別截取一個橫截面和縱截面，對兩個截面上的兩期數據進行比較分析。

通過2D比較得到的結果見表2a

表2 2D分析結果

截面最大偏差/m平均偏差/m標準偏差/m

正負正負

橫截面+0.0087-0.0087+0.0011-0.00710.0035

縱截面+0.0089-0.0079+0.0017-0.00410.0027

從以上方法分析得出的結果可知，監測的邊坡擋墻處于穩定狀態，同時與常規方法得出的結果進行印證，結論一致。該方法能夠滿足邊坡變形監測要求。

5 結束語

本文將地面三維掃描技術應用到了邊坡變形監測中，引入用于逆向工程和三維檢測的第三方軟件進行變形分析。對具體的監測技術路線和數據處理方法進行了探討，得出了一種新的邊坡變形監測方法，為同類變形監測項目提供了參考。

參考文獻：

[1] 楊俊志，尹建忠，吳星亮.地而激光掃描儀的測量原理及其檢定[M].北京：測繪出版社，2012.

[2]建設綜合勘察研究設計院.JGJ8 2007建筑變形測量規范[3].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3]張毅，閏利，楊紅，等.地而二維激光掃描的系統誤差模型研究[J].測繪通報，2012（1）：16一19.