關于三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用探討

歐耀祥

摘要：結構面地形數據收集的精度與效率是工程建設階段評估巖體構造穩固的重要技術難點，為了不斷提升高邊坡信息收集的效率及精度，文章以3D激光掃描技術（也稱作實景復制技術）為研究對象，詳細闡述與分析了該技術的工作原理，對地表3D激光掃描工藝在高邊坡測試中的技術應用進行詳細研究。

【關鍵詞】三維激光掃描法；高邊坡；監測應用

以往的全站儀與GPS等測繪方法，針對區域內連續信息采集性能明顯不夠，而且針對部分地形比較繁瑣、高度很高和坡度很陡的地區，以往的監測方式操作困難，以往的監測方式對目標地區內全貌測量的地形區域就無能為力。

實景復制技術借助激光單色特點、方向性、相干性及高亮度等性質，在重視監測速度與操控簡便的基礎上，確保了監測的整體精度，其監測原因重點分成測距、監測方向、掃描和定向。

1. 3D激光掃描技術的基本原理

3D激光掃描法的基本原理見圖1。在掃描儀內，兩反光鏡在迅速穩定旋轉時，把脈沖發射物傳出的窄束激光脈沖逐一對被測地區展開掃描，經對每種激光脈沖由發出至被測地區再返入儀器所需時間對二者間距進行測算，并利用編碼器轉變不同脈沖方向的監測結果，就能獲得被測物件的3D精準坐標。而且，按照兩反射鏡的方向值，可以獲得激光束水平和豎直方位的數據，隨后再測算脈沖激光傳遞時間，獲取3D激光掃描儀至掃描位置的長度，這樣獲得掃描的3D坐標參數，而反射位置的顏色就通過反射強度予以確定。

2. 3D激光掃描法在高邊坡測量中的使用

2.1信息采集

根據高邊坡的具體地理情況，采用Trimble GX200類型的3D激光掃描設備，把邊坡劃分成兩站展開大范圍掃描。在進行掃描時，基于邊坡的實際長度，在其對面部位建站，兩個掃描點分別對所選范圍展開掃描。在明確具體的掃描密度之后，制作出相應的掃描點云信息圖。所以，掃描過程需要相鄰場景的兩次掃描需有相應的重疊部分，便于在處理系統內對掃描獲得的點云信息實現拼接匹配。因此，在掃描前要簡單勘探掃描區域，科學制定儀器的安裝方案。科學有效地監理掃描機位，對收集高質量3D信息、提升監測精度、充分體現場景細節具有十分關鍵的作用。

2.2信息處理

信息處理要分別從信息圖像劃分、點云信息配備、點云過濾和信息決定定位和拼接等進行處理。

深入劃分圖像。依靠地區內圖像劃分，可以把圖像分類成多個區域，結合劃分后的具體結果，可以對圖像展開深度處理和研究。

點云信息的配置。這一工作的根本目的是把點云坐標加以轉變，將之引入大地坐標中心內進行分析。在轉變環節，標識點的匹配方式是：把主次掃描中第一副點云標識點實現統一，以空間坐標點的間隔值為基礎，基于動態分割層組成層嵌套；隨后，將逐一掃描開始的第一個幅點云當做基準點，對其和第二幅點云標識點加以匹配。

點云過濾。點云過濾的功能主要包含兩點，過濾掉噪音點與減少點云密度。在信息拼接上，能引進多視點云拼接方法，把不同坐標系通過坐標轉變處理集中到同個坐標系內，從而把不同方向的掃描信息進行集成，使之組成一個完善的3D結構。掃描儀運行階段，首先開展垂直角度的線掃描，再根據確定的水平角辨別率水平移動，接著開展垂直角度的線掃描，如此的操作過程盡管有較好規律，但獲得的點云實質上依舊非常分散[1]。創模以前對點云實施平滑是很重要的。此外，針對相當多的創模主體，初始點云信息的密度很大，無謂增多了信息量，信息簡化是很重要的。

點云過濾處理兩點內容：其一，過濾點云內的噪聲點；其二，減少點云密度。信息點濾波的途徑通常有高斯、平均和中值與曲率濾波方法。高斯濾波設備在特定區域中的權重是高斯布局，其平均效果很小，因此在濾波基礎上可以很好保持原信息的外貌。平均濾波法使用濾波窗口內的各信息點平均值。中值濾波方式就是采集濾波窗口中各信息點的統計數據。曲面濾波是按照曲率的改變確定點的取舍，在曲線改變大的區域保留很多的點，但在曲率改變小的位置，過濾掉多余的點。針對零散點云信息，采取隨機取樣的方式；針對掃描點云信息，能采取等間隔縮減、倍率減少、等量減少積弦誤差等方式；網格化點云能采取等布局密度法與最小包圍范圍法進行信息簡化[2]。信息精簡僅僅是減少了信息兩個，并未對信息進行調整。

信息的絕對定位與拼接。多視點云拼接屬于點云信息處理的重要方法，多視點云拼接即將部分坐標結構通過坐標轉變集中到一個坐標系內，進而將多方面的掃描哦信息合為完整的3D模型。當前，點云拼接方式主要包含使用標定對象憑借、ICP算法等等。

2.3信息分析

信息分析一般選用Real Works Survery系統。一般情況下，信息分析被分成兩個模式，分別是Registration模式與Office Survery形式。其中，Registration研究模式下，能利用重疊點云部分把一組掃描信息和其它掃描信息相匹配，如果信息來自于標靶掃描，那么要先對其中匹配物體展開研究，隨后，把相應掃描實景同時加以匹配，從而把相關結果存儲到一個報告內，此外，還能借助地理參考工具來存儲掃描信息，存儲的部位在已知坐標軸之中；在Office Survery分析形式中，Real Works Survery系統能從云點之中采集不同種類的2D圖像，經分析相關信息，選取并匹配相關的2D圖像到點云，進而形成一次和反復正射圖形，從而對單一點云的體積展開計算與分析，并形成相關測量圖。

2.4信息成果

對處理后的點云信息加以封裝，調整后獲得監測范圍的3D模型。

（2）1：500大比例尺加工通過采集特征點的方式，把采集后的特征點引入CASS內展開地形圖描繪。

（3）信息高程模型的創模方式主要包括四種：根據點的創模方式、依靠三角形的創模方式、借助網格的創模方式以及將其中隨意兩種統一起來的混合創模方式[3]。因為原始信息是點云信息，因此采取依靠點的創模方式。

（4）在創建好的3D模型內，在所需的部位截取線性圖形，得到的線性圖導進CASS內展開橫縱斷面圖制作。

3.結束語

通過上述對3D激光掃描技術的基本原理分析，研究結果顯示，3D激光掃描方法可以更加精準的采集高邊坡坡體地表的改變情況，對高邊坡施工工作的順利開展有較大保障意義，同時，針對后期高邊坡經營管理者對邊坡的全面監測及管理帶來了很大的方便。

【參考文獻】

[1]明國輝.三維激光掃描技術在高邊坡監測中的應用研究[J].工程建設與設計，2016（18）：193-195.

[2]徐茂林，高延東，張賀，賈國輝，賀丹.三維激光掃描技術在露天礦邊坡監測中的應用[J].遼寧科技大學學報，2015，38（03）：217-220.