三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用

邱平武

（湖南省有色地質勘查局二四七隊 湖南長沙 410129）

三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用

邱平武

（湖南省有色地質勘查局二四七隊 湖南長沙 410129）

三維激光掃描技術是一種新型的激光測量技術，具有高速度、高精度、高密度的特點，能夠有效獲取物體表面的三維空間坐標，且無需接觸被測物體，目前該技術已被廣泛應用于滑坡變形監測中。本文主要從三維激光掃描測量的工作原理入手，并對滑坡監測數據獲取和采集的相關內容進行分析，僅供參考。

三維激光掃描測量；滑坡監測；數據獲取

1 引言

目前，三維激光掃描技術的出現和發展為解決滑坡數據獲取和采集提供了有效途徑和手段，其不僅能快速實現坡體的數字化，還可通過激光掃描獲取目標的深度圖，并將其轉化為坡體表面三維信息，增強工作人員的代入感。同時，利用三維激光掃描技術所開展的滑坡監測工作，有利于減少人員的勞動強度，縮短作業時間，提高作業效率，彌補傳統監測方法的不足。

2 三維激光掃描測量原理

地面三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、數碼相機、軟件控制平臺、數據處理平臺及電源和其它附件設備構成。三維激光掃描技術的核心是激光反射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦控制單元等。通過三維激光掃描技術可直接對滑坡實體或實景三維數據進行準確采集，從而可快速建立出滑坡實體目標的三維模型。

三維激光掃描原理見圖1，在三維激光掃描儀內，有一個激光脈沖發射體和兩個反光鏡同步進行有序旋轉。通過對被測區域進行掃描，可準確測量出每個激光脈沖從發出到被測物表面再返回儀器所經過的時間，由此可計算出相應距離，同時編碼器可對每個脈沖角度進行測量，從而獲得被測物體真實的三維坐標。其中兩個連續轉動用來反射脈沖激光鏡子的角度，以此來獲得激光束的水平及豎直方向值；通過脈沖激光傳播的所花的時間可將儀器到掃描點的距離計算出來；掃描點的反射強度可用來給反射點匹配顏色。

圖1 滑坡三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀在滑坡監測中的應用，可獲得每個測站點的點云數據，且點云中每個點的位置信息可在掃描坐標系中通過極坐標（?ξδ）的形式予以描述。在掃描前，要在被掃描區域內布設相應的掃描控制點，而控制點的大地坐標一般可通過GPS、全站儀等手段進行測量，以便點云坐標向大地坐標的相應轉換，從而為滑坡監測提供可靠通用的數據。在獲取數據后可利用逆向工程軟件來提取坡體特征，形成滑坡區域DEM模型，從而為數據預報建模奠定堅實基礎，見圖2。

圖2 三維激光掃描儀在滑坡監測中的工作流程圖

3 滑坡監測數據的獲取和處理

3.1 外業數據的采集

一個完整的實體掃描過程主要包括數據的獲取和處理、點云建模輸出應用。針對滑坡地理位置的實際情況采用三位掃描儀對坡體進行大規模掃描，在掃描過程中可實行“分站-分景”的掃描方式，每站以圓形區域進行分景掃描，并對所掃描的信息進行處理，以便坡體地面模型的有效提取。采集的三維點云數據經過拼接和結合后，可對數據進行預處理，剔除無效數據，以此來保證滑坡監測體地面高程數據的準確性，從而為DEM模型的建立提供可靠的數據基礎。

3.2 數據處理

要保證所獲取的多傳感器數據處理的準確性，其中涉及了較多的技術環節，具體內容為：①深度圖像分割。該技術的分割方式主要集中在基于區域的分割上，通過分割可將圖像分成不同區域，而分割后的結果有利于對圖像進行更好的處理和分析；②點云數據匹配。數據匹配的主要目的在于為數據定義明確的絕對坐標，其匹配過程是在參考點基礎上進行的。在集成應用中可選擇GPS或全站儀對參考點的位置信息進行測量，以便對數據融合的準確性進行檢驗；③點云過濾。掃描過程主要先對垂直方向的線進行掃描，并按照設定的水平角分辨率水平轉動，再對垂直方向的線進行掃描，可見掃描過程具有一定的規律性。但這種規律下所得到的點云是無序雜亂的，因此，建模前應對點云進行平滑。點云過濾的主要目的是降低點云密度和過濾點云中的噪音點；④數據絕對定位及拼接。多視點云拼接是點云數據處理的一項關鍵技術，即是將各個局部坐標系通過相關的坐標轉換到統一的坐標系中，從而將多個角度的掃描數據合成完整的三維物體。在進行點云數據絕對定位基準時，可通過GPS和全站儀相結合的方式進行測量，掃描后數據點位的誤差范圍控制在2～6mm左右。

3.3 坡體DEM獲取

通過CYCLONE掃描數據處理軟件對掃描的雜點進行剔除，確保處理后的掃描數據僅存在地表點。用CYCLONE數據導出功能可將MP的掃描格式轉換為用戶需要的DXF格式。為了保證坡體DEM模型建立的完整性，應對各時段DEM的坐標系統進行統一，并利用模型求差法對其進行分析。另外，在對相同水平坐標點的高程變化情況進行比較時，應以初始DEM數據作為參考，并對后面的DEM數據實行內插計算，通過相同水平坐標點高程變化情況的比較來分析變形大小。

4 工程實例

4.1 工程概況

某區域滑坡縱向水平垂直距離為70m，橫向為100m，該滑坡體上部原有四個雨水蓄水池，由于池內具有明顯的開裂痕跡，導致其不具備蓄水功能，導致滑坡產生的主要原因在于雨水長期的沖刷和滲透，使得滑體表面存在大量裂縫，可見，該區域山體確實存在滑坡跡象。

4.2 控制點、監測點的布設

為了在統一坐標系統內對采集的監測點數據進行比較，以便獲得同一坐標系統內的區域DEM，在滑體周圍埋設了用于設站和定向的控制點，如圖3所示，控制點選DEM。在本次掃描中，只使用了其中的K1、K2控制點，將K1作為基準點用來加設儀器，K2作為觀測時需要的定向點。

圖3 控制點及監測點分布圖

4.3 外業數據采集

（1）設站。由于該滑坡體相對較小，且植被較少，在滑坡體的上下位置均能觀測到監測點，因此，在所布設的K1、K2、K3、K4控制點中，選擇K1來架設三維激光掃描。另外，為了得到滑坡區域整體的監測數據，將K1控制點作為母站，以作為監測點的公共標靶為約束條件進行拼接即可得到所測區域完整的點云數據。

（2）定向。在K1控制點上架設掃描儀，并對儀器高度進行測量，連接掃描儀和電源，將電源打開讓儀器進行自檢；設置筆記本和掃描儀之間的通訊，并啟動配套的Cyclone軟件并建立數據庫和工程軟件，連接掃描儀并通過所設置的角度范圍對掃描區域進行拍照。進行多次定向掃描后，其中高程定向最大誤差為4mm，最小誤差為2mm；水平定向最大誤差為2mm，最小誤差為1mm。

（3）粗掃。針對所拍照片不清晰的區域可通過對內置相機的曝光度進行調整，可重新獲??；設置掃描儀的掃描精度為10cm，主距為80㎝；在掃描完每站所能觀測到的監測區域后，進行下一站的掃描。

（4）該監測點主要使用的是和三維激光掃描儀配套的藍白標靶，在掃描過程中，可通過獲取標靶信息的方式進行精掃，即對各監測點進行編號，不用對掃描精度進行設置，可大大提高掃描效率。

4.4 內業數據處理

（1）點云拼接。對不同視角和位置的物體進行多次掃描，并將掃描的點云數據進行篩選、旋轉對齊、多視拼接等操作，完成對不同坐標下的點云數據向統一坐標系下轉換的過程，以獲得完整的點云數據。

（2）點云預處理。點云預處理的主要環節是點云去噪，這類噪聲點主要是由于滑坡體周圍的一些雜草、電桿、建筑物等造成的，在對滑坡體進行數據采集的過程中，難以避免對周圍多余物體進行數據采集。由于物體具有不同的反光率和反光強度，采集的點云數據也會呈現不同光澤，這些點會對點云的數據質量和模型精度產生影響，因此，必須手工去除。

5 結語

綜上所述，三維激光掃描技術可有效保證點云數據獲取的準確性、及時性，可對整個滑坡體地面時刻發生的變化進行監測，可見，三維激光掃描技術具有一定的技術優勢，不需事先埋設監測設備，能夠準確反映坡體的總體變化趨勢，在滑坡監測中具有較好的應用前景。

[1]陶茂枕，劉方，王明.三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用[J].科海故事博覽·科技探索，2013：56.

[2]王炎城，鐘煥良，石雪冬，等.三維激光掃描測量技術在滑坡監測中的應用[J].地理空間信息，2015（3）：138～141.

[3]石琨，楊桂珍.淺談激光掃描技術在滑坡監測中的應用[J].科技致富向導，2013（36）：87.

P642.22

A

1004-7344（2016）32-0189-02

2016-10-16

邱平武（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事測繪工作。