基于激光點云的滑坡體三維模型構建

羅婷婷 徐泮林 隋 瑜

（1、山東無形信息技術有限公司，山東 泰安271000 2、山東科技大學測繪與空間信息學院，山東 青島266000）

滑坡是山區最常見的山地災害之一，分布廣、危害大，常給山區交通、能源、工礦、城鎮以及水電建設造成極大危害，且滑坡災害具有較強的隱蔽性。隨著三維激光掃描技術的發展日趨成熟，利用該技術能夠有效地發現存在的安全隱患。

三維激光掃描技術屬于非接觸測量，速度快、精度高，對滑坡體的掃描可采集到其表面高密度海量的點云數據，進行一系列的后處理能得到滑坡范圍的完整變形信息并建立三維模型，基于兩期或多期海量點云數據所構建的三維模型對比，從而掌握滑坡體整體的變形規律[1]。

1 三維激光掃描系統及點云數據

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架及系統配套軟件構成。三維激光掃描儀又由激光發射器、接收器、時間計數器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD 相機及軟件等組成。測距設備技術的核心有激光無反射棱鏡長距離快速測距技術和空間點陣掃描技術。控制反射棱鏡的高速轉動使激光束以小角度間隔連續發射，記錄每束激光發射時的回波反射強度值和波形發生的相位變化，確定掃描中心到地表采樣點的掃描角度和斜距，計算出掃描中心和采樣點的相對空間位置關系，實現對地物表面信息的高密度的數據采集。點云的主要特點[2]有：數據量大、密度高、帶有掃描物體光學特征信息、立體化、離散性、可量測性、非規則性等，這些特點使三維激光掃描數據得到十分廣泛的應用，也使得點云數據處理變得十分復雜和困難。

2 三維模型構建方法對比

2.1 Geomagic Studio 軟件的主要功能[2]：點云的處理；多邊形模型的構建、修改和子網格模型的生成對網格的參數化和Bezier 或NURBS 曲面擬合；在建模完成后可以根據點云模型對建模結果做出精度評價等。

2.2 3D Max 軟件的主要特點[3]：操作簡單、易上手；三維數據處理功能強大、擴展性好；模型功能強大，動畫方面有較大優勢，插件豐富，制作的模型效果非常逼真。

2.3 HyperMesh[4]具有強大的有限元前期處理功能，提供高質量高效率的網格劃分技術，可以完成桿梁、板殼、實體網格劃分，能夠提供交互式可視環境幫助應用者建立各種復雜的有限元模型。自動網格劃分模塊提供一個智能的格網劃分工具，可調整網格劃分算法、網格密度、單元變化趨勢等網格劃分參數。HyperMesh 提供有限有限元網格變形功能，支持基于有限元網格的快速變形修改，無需修改幾何模型。

2.4 FLAC3D[5]是一個三維有限差分軟件，在FLAC 基礎上進行了擴展開發，可用交互方式從鍵盤輸入命令或寫成命令文件來驅動。FLAC3D 能模擬計算三維巖、土體等介質中工程結構的受力與變形形態。FLAC3D 有幾個特點：對模擬塑性破壞和塑性流動采用“混合離散法”；采用動態運動方程，模擬不穩定過程中不存在數值上的障礙；采用中等容量的內存求解多單元結構，模擬大變形問題不消耗更多的計算時間。

3 案例分析

3.1 滑坡體點云獲取

3.1.1 工作路徑的選擇。為提高數據獲取的質量，掃描工作確保不受到地理環境因素的干擾；精簡站點的布設次數，以減少坐標轉換誤差累計；將工作路徑與測量控制網或GPS 基準點連接，對掃描數據的點位坐標可靠性進行測量控制。

3.1.2 掃描站點的選取。為保證掃描儀在有效工作距離內能夠獲取足夠密度的地物表面采樣點，相鄰兩站之間要有至少15% 的重疊度，點云配準有足夠的起算數據；標靶的位置分布要均勻合理，標靶的布設不能在一個平面內，以免配準失效，降低配準系統誤差可能性。

3.1.3 掃描參數的設置。兼顧場景中不同部分的掃描需求，根據地物的類別和表面層次信息的豐富程度，進行掃描區域、掃描采樣間隔的設置。對于精美的石窟或者石刻等古跡，要以盡可能小的點位間隔進行詳盡記錄。對于層次信息豐富的場景，可在取景框中同時分別選擇精細掃描和快速掃描，提高工作效率。

3.2 滑坡體三維模型的構建

3.2.1 基于Geomagic Studio 的初級模型構建

首先，用CloudCompare 軟件將配準、去噪、統一化處理和抽稀后的三維激光掃描點云數據的.las 格式文件轉換為Geomagic Studio 能識別的.txt 格式，導入Geomagic Studio 對點云數據進行編輯，提取出山體滑坡部分并進行統一采樣格式、降噪、封裝處理。

其次，對點三角網模型進行處理。通過網格醫生對多邊形網格進行修復，去除一些比較突出、尖銳的釘狀物，對封裝模型進行填充、修補。破洞填補工作量最大，是影響建模質量的關鍵環節。對填充、修補后的模型再進行生成流形模型處理，刪除模型中的非流形三角形，保證模型能夠進行后續模型處理。

圖2 滑坡體NURBS 曲面初級模型

最后，對流形模型進行松弛和簡化處理，使用更少數量的多邊形來表示模型載體，可以基于三角形數量或者公差限制來簡化多邊形。通過編輯輪廓線、曲率、抽殼，創建曲面片，并對曲面進行編輯來創建滑坡體的較為理想的NURBS 曲面，完成Geomagic studio 內的初級模型逆向構建，輸出一個.igs 和一個.dxf 文件。

3.2.2 基于3D Max 對初級NURBS 曲面模型進行完善

將.dxf 格式文件導入3D Max，將曲面轉換為可編輯多邊形，因導入的.dxf 文件中存在三角格網連接斷點，對點層級需要進行修復和焊接工作。設置相機參數、光源、物體材質，調整貼圖并賦予物體UVW 貼圖尺寸。通過Photoshop 對模型進行調色加上陰影，生成一個完整的滑坡體三維模型，如圖3 所示。

圖3 模型渲染成果

3.2.3 基于HyperMesh 對模型進行有限元編輯處理，生成有限元模型

將.igs 模型文件導入HyperMesh，選用Geomagic studio 進行有限元的Mesh 模型建立，對模型的材料、截面、實常數、單元類型等進行簡要編輯，如圖4 所示。

圖4 編輯后的有限元模型

將有限元模型輸出為能被ANSYS 識別的.cdb 格式，并導入ANSYS，利用ANSYS 軟件與FLAC3D 的接口功能將模型導入FLAC3D，實現FLAC3D 數值模型的建立，結果如圖5 所示。

圖5 基于FLAC3D 的滑坡體模型

結束語

在引入三維激光掃描技術后，我們可以利用三維激光掃描獲取的海量點云數據，通過Geomagic studio、3D Max、HyperMesh 等逆向工程技術軟件，便捷、高效地建立復雜的三維滑坡體模型，再結合FLAC3D 軟件平臺進行數值模型的建立，從根本上解決了傳統DEM模型對滑坡體實體反映不清晰、對滑坡體穩定性分析效率低下等一系列問題，實現了通過模型對滑坡體這一地質災害的“可視、可算”一體化的目的，對滑坡這一地質災害的治理與防護技術手段有了較大改善。今后可以建立類似于數字城市、智慧城市的數字礦區、智慧礦區等模型系統，便于我們對礦區的開發與治理，對滑坡、崩塌等地質災害的預警、防護、治理有很好作用。