三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用研究

明國輝（福建省電力勘測設計院，福州350003）

三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用研究

明國輝
（福建省電力勘測設計院，福州350003）

結構面地形信息采集的精度和效率是工程施工過程中評價巖體結構穩定的關鍵技術難點。為進一步提高邊坡數據采集的效率和精度，論文引入三維激光掃描技術，通過對該技術的原理進行闡述和分析，對地面三維激光掃描技術在高邊坡監測中的技術應用展開深入研究。

三維激光掃描；高邊坡監測；DEM

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.181

1 引言

近年來，新興的地面三維激光掃描技術為工程施工及運營過程中邊坡數據的采集和分析提供了新的技術支持，較好地彌補了傳統測繪方法采樣點少的缺陷。基于此，論文著重分析了三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用過程與方法，以期為邊坡監測數據的完整性和可靠性提供可靠的技術保障。

2 三維激光掃描原理分析

三維激光掃描技術的具體原理如圖1所示。在掃描儀中，兩反光鏡在快速有序旋轉的過程中，將脈沖發射體所發射的窄束激光脈沖依次對被測邊坡區域進行掃描，通過對各激光脈沖從發出到被測區域再返回儀器所用時間對二者距離進行計算，并結合編碼器對不同脈沖角度的測量結果進行轉換，即可得到被測物體的三維真實坐標。同時，根據兩反射光鏡的角度值，能夠得到激光束水平與豎直方向的值，而后，再通過對脈沖激光的傳播時間進行計算，獲得三維激光掃描儀到掃描點的具體距離，由此，得到掃描的三維坐標值，而反射點的顏色則由反射強度來決定。

圖1 三維激光掃描原理圖

3 三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用

3.1 數據獲取

結合工程邊坡的實際地理情況，選取Trimble GX200型號的三維激光掃描儀，將坡體劃分為兩站進行大規模掃描。在掃描過程中，以邊坡的具體長度為依據，在其對面位置建站，兩站點分別對所選區域進行掃描。在確定實驗掃描密度后，繪制出具體的掃描點云數據圖[2]。

3.2 數據處理

數據處理應分別從數據圖像分割、點云數據匹配、點云過濾及數據決定定位與拼接等方面進行。

1）深度圖像分割?；趨^域的圖像分割能夠將圖像劃分為不同區域，根據分割后的相關結果，能夠對圖像進行深度處理與分析[3]。

2）點云數據的匹配。該項工作的最終目的是將點云坐標進行轉換，將其納入大地坐標系統中予以分析。在轉換過程中，標志點的匹配方法為：將主次掃描的第一副點云標志點進行集合，以空間坐標點的距離值為依據，在動態劃分層的基礎上構成層嵌套；而后，將逐次掃描開始的首幅點云為基準，對其與第二幅點云的標志點進行匹配[4]。

3）點云過濾與數據的絕對定位和拼接。點云過濾的作用主要包括2方面，過濾其中的噪聲點和降低點云密度。在數據拼接方面，可引入多視點云拼接技術，將不同坐標系經由坐標變換處理統一到同一坐標系中，進而將不同角度的掃描數據進行合成，使其構成一個完整的三維物體[5]。

3.3 數據分析

數據分析通常借助RealWorksSurvery軟件。通常，數據分析被分為2個模式，分別為Registration模式和OfficeSurvery模式.其中，Registration分析模式下，可借助重疊點云部分將一組掃描數據同其他掃描數據進行匹配，若數據來源于標靶掃描，則應先對其中的配準實體進行分析，而后，將相關掃描場景同時進行匹配，進而將相關結果保存至一個報告當中，另外，也可利用地理參考工具對掃描的數據進行存放，存放的位置在已知的坐標系當中；在 OfficeSurvery模式中，RealWorksSurvery可從云點當中提取不同類型的二維圖形，通過對相關數據進行分析，選擇并匹配相應的二維圖形至點云，從而生成一次或多次正射投影圖，進而對單個點云的體積進行計算和分析，并生成相應的監測圖。

4 高邊坡監測中三維激光掃描的應用實例

借助掃描系統對某電廠高邊坡研究區域進行掃描，掃描時間為12d，連續6期，每間隔2d開展一期數據的采集。因三維激光掃描儀從某一方向掃描一次即獲得目標完整點云數據是比較困難的，故在進行各期的掃描時，均在同一測站采取變換掃描儀的角度的方式，為兩幅掃描影像的獲取提供依據，并最終獲得6期12幅掃描影像，相關掃描工作是通過在邊坡對面300m遠處地區設置相應測站予以完成的。還需要說明的是，在被測掃描區還安裝了2個圓形標靶，為在采用的RealWorks Survey軟件的點云拼接模塊中，對同名點進行準確識別和對兩標志物中心點的三維坐標位移變化情況的獲取提供便利。在經濾波和去噪處理后，利用Registration這一模塊對相應的點云數據進行點云拼接，根據第一天掃描數據拼接前后的結果，再利用RealWorks Survey軟件的Modeling模塊予以目標三維重建。再對各期掃描數據均進行以上濾波、去噪、拼接和三維重建處理，最后，將獲得的6期模型結果予以直接疊加，再借助OfficeSurvey模塊對獲取的6期點云數據的差別予以分析，并以不同顏色對誤差圖進行分類，得到邊坡變形的趨勢與量級。

在對三維激光掃描數據的監測結果進行分析后得知，該電廠高邊坡總體變形趨勢相對平緩，最大位移量為厘米級。三維激光掃描結果中，將區域位移變化量的大小以不同的顏色予以表示，通過對監測結果進行分析確定陡峭區域所對應的顏色，以此判斷此類地區為開挖地區，具有較大的傾斜度，且位移速率變化較大，具有滑坡傾向。此外，根據平坦區域所代表的顏色，對相關顏色在掃描結果中所占的面積進行觀察和分析，得出此類顏色所對應區域趨于平坦，位移速率變換較小，相對平穩，故暫時不具有滑坡趨勢的結論。

5 結論

本文通過對三維激光掃描的原理進行說明，進而分別從三維激光掃描技術數據獲取、處理以及邊坡DEM提取和形態描述等方面在邊坡監測中的應用做出了系統探究。研究結果表明，三維激光掃描技術能夠較為精確地獲得邊坡坡體地面的變化情況，不僅為工程施工建設的順利進行有重要的保障作用，而且對于后續工程運營管理人員對邊坡的高效監測和管理提供了較大便利。

【1】李健，胡書橋，鄧增兵.基于綜合改進ICP算法的三維激光掃描技術在露天礦邊坡測繪中的應用[J].煤田地質與勘探，2012，1(15):51-54.

【2】劉文龍，趙小平.基于三維激光掃描技術在滑坡監測中的應用研究[J].金屬礦山，2013，2(4):131-133.

【3】高偉，李愛國，張素情.三維激光掃描技術在邊坡治理中的應用[J].礦山測量，2011，3(18):81-84.

【4】王梓龍，裴向軍，董秀軍，魏小佳，蒙明輝.三維激光掃描技術在危巖監測中的應用[J].水文地質工程地質，2016，1(17):124-129.

【5】李仁忠，劉潔.三維激光掃描技術在高層建筑變形監測中的應用[J].重慶建筑，2013，10(24):42-45.

Application of Three Dimensional Laser Scanning Technology in High Slope Monitoring

MING Guo-hui
(Fujian Electric Power Survey&Design Institute,Fuzhou350003,China)

The accuracy and efficiency of the structural surface topography information collection is the key technical difficulty to evaluate thestability of rock mass structure in the process of engineering construction. In order to further improve the efficiency and accuracy of the slope dataacquisition, this paper introduced the 3D laser scanning technology, describing and analyzing the principle of the technique, and then researchedon the ground of technology application of3D laser scanning technology in the monitoring of high slope.

3D lasers canning;high slope monitoring;DEM

P225.2

A

1007-9467（2016）12-0193-03

2016-09-20

明國輝（1976～），男，湖北麻城人，高級工程師，從事電力工程勘測設計研究。