三維激光掃描技術(shù)在邊坡工程中的應(yīng)用

練浩

摘?要：我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)條件復(fù)雜，滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家。目前三維激光掃描技術(shù)作為一種新的監(jiān)測(cè)手段已應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測(cè)中，基于三維激光掃描技術(shù)的滑坡監(jiān)測(cè)不僅可以精確、高效地采集邊坡表面形態(tài)及結(jié)構(gòu)面信息，而且降低了人力成本，保障了作業(yè)人員的安全性。本文詳細(xì)闡述了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的作業(yè)流程及其優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行了詳細(xì)研究。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);邊坡監(jiān)測(cè);作業(yè)流程

三維激光掃描技術(shù)，又稱(chēng)實(shí)景復(fù)制技術(shù)，可以完整、準(zhǔn)確、快速地重建目標(biāo)，獲取原始測(cè)繪數(shù)據(jù)。由于點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接獲取的目標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)，因此后處理的結(jié)果可靠度高[1]。三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測(cè)中，不僅能夠迅速獲取邊坡坡體的數(shù)字化信息，而且可以直接建立邊坡表面的三維立體模型。

1 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光掃描儀的工作原理本質(zhì)上是激光測(cè)距，通過(guò)儀器記錄目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光信息，從而快速建立目標(biāo)物體的三維模型[2]。在掃描儀內(nèi)，激光通過(guò)兩個(gè)快速有序旋轉(zhuǎn)的反光鏡對(duì)劃定范圍開(kāi)始掃描，通過(guò)計(jì)算激光脈沖往返的時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離，并利用編碼器轉(zhuǎn)換獲得被測(cè)目標(biāo)的三維精準(zhǔn)坐標(biāo)，再根據(jù)反射折回的激光強(qiáng)度確定目標(biāo)的顏色信息。

2 邊坡監(jiān)測(cè)作業(yè)流程

2.1 原始數(shù)據(jù)采集

針對(duì)邊坡現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采用Topcon-GLS-2000三維激光掃描儀，將邊坡劃分為兩個(gè)測(cè)站進(jìn)行掃描。基于邊坡的實(shí)際長(zhǎng)度，在其對(duì)面合適位置架設(shè)測(cè)站，每次相鄰測(cè)站的掃描范圍應(yīng)有兩到三成的重合率，以便在處理點(diǎn)云拼接時(shí)能夠精準(zhǔn)匹配。科學(xué)有效地選擇測(cè)站點(diǎn)位，對(duì)提升監(jiān)測(cè)精度、減少作業(yè)時(shí)間十分重要。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要按照?qǐng)D像劃分、點(diǎn)云信息匹配、點(diǎn)云過(guò)濾和點(diǎn)云拼接四個(gè)步驟進(jìn)行。

深度劃分圖像。按照區(qū)域分割方法，將點(diǎn)云圖像劃分成不同區(qū)域，可以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和分析的效率。

點(diǎn)云信息的匹配。點(diǎn)云信息匹配的目的是將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)（大地坐標(biāo)系統(tǒng)）。常用的標(biāo)識(shí)點(diǎn)匹配法流程：首先，基于動(dòng)態(tài)分割層和空間坐標(biāo)點(diǎn)距離處理第一副點(diǎn)云標(biāo)識(shí)點(diǎn)并組成層嵌套，其次，將第二幅點(diǎn)云標(biāo)識(shí)點(diǎn)與第一個(gè)幅點(diǎn)云進(jìn)行匹配[3]。

點(diǎn)云過(guò)濾。掃描儀首先是垂直方向的線(xiàn)掃描，然后水平轉(zhuǎn)動(dòng)，再進(jìn)行垂直方向線(xiàn)掃描，雖然掃描過(guò)程是規(guī)律有序的，但是獲得的依然是較為散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此在建模之前需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理[4]。此外，對(duì)于一些原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大的目標(biāo)，為了提高工作效率，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，降低密度。

點(diǎn)云過(guò)濾的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）過(guò)濾噪聲點(diǎn);2）降低點(diǎn)云密度。點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波通常有高斯濾波法、平均濾波法和曲率濾波算法等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)處理只是減少了數(shù)據(jù)量，降低其點(diǎn)云密度，但是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身沒(méi)有做出改變。

點(diǎn)云拼接。多視點(diǎn)云拼接是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，即將不同測(cè)站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換整合到統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)，從而得到一個(gè)包含多次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整三維模型。現(xiàn)階段，點(diǎn)云拼接方式主要采用使用靶標(biāo)拼接和ICP算法等方法。

2.3 邊坡變形監(jiān)測(cè)分析

邊坡變形監(jiān)測(cè)分析就是將處理好的不同監(jiān)測(cè)周期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行疊加分析，對(duì)比每個(gè)點(diǎn)的位移量，從而得到邊坡變形的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)邊坡坡體進(jìn)行多周期的掃描監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)處理得到不同周期完整的三維點(diǎn)云模型，再利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)的DEM模型，通過(guò)疊加分析多期DEM模型得到其差分圖，從而進(jìn)行邊坡變形的分析研究。

3 在邊坡變形監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)與不足

三維激光掃描技術(shù)作為遠(yuǎn)距離非接觸測(cè)量的技術(shù)手段，相比較于傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)方法，它實(shí)現(xiàn)了由“點(diǎn)”到“面”的突破，極大的提升了監(jiān)測(cè)效率，降低了人力成本，減少了人為主觀因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。并且由于其非接觸測(cè)量的特性，在針對(duì)高陡邊坡等不易攀爬或危險(xiǎn)的環(huán)境中，對(duì)比傳統(tǒng)手段，它占據(jù)了極大的優(yōu)勢(shì)，極大地保障了作業(yè)人員的生命安全。

雖然三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但其在邊坡變形監(jiān)測(cè)上依然存在一定的不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）受植被影響較大。因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)獲取的是邊坡坡面的形態(tài)信息，而激光脈沖無(wú)法穿透植被覆蓋，導(dǎo)致濾波處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)形成空洞區(qū)域。

（2）受地形因素制約較大。在野外實(shí)際作業(yè)時(shí)，部分邊坡無(wú)法在其對(duì)面找到合適觀測(cè)站點(diǎn)，制約了三維激光掃描技術(shù)的使用。

（3）受激光功率影響較大。三維激光掃描儀的激光脈沖功率均在安全功率范圍內(nèi)，導(dǎo)致三維激光掃描儀的掃描距離受到制約，在部分露天采礦邊坡中使用效果不佳。

4 結(jié)論

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)可以精準(zhǔn)地獲得邊坡坡體表面的變形情況，提高監(jiān)測(cè)效率和保障作業(yè)人員的安全性，雖然其依然存在一定的不足，但它依然為邊坡監(jiān)測(cè)提供了新的一種高效、可靠的監(jiān)測(cè)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]董秀軍，黃潤(rùn)秋.三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（S2）：3629-3635.

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[3]劉文龍，趙小平.基于三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].金屬礦山，2009（02）：136-138.

[4]袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2006.

[5]侯洪臻.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理與曲面重建[D].北京：北京建筑工程學(xué)院，2010.