三維激光掃描技術在局部地表變形監測中的應用探究

付 貴，葉政霖，高 翔

（1.貴州建設職業技術學院，貴州 貴陽551400；2.貴陽洪城百佳房地產資產評估有限公司，貴州 貴陽551400；3.安徽理工大學測繪學院，安徽 淮南232001）

近年來，自然災害頻繁發生，嚴重影響國民生產生活的安全。為精準監測地表變形，現階段具有多種技術手段可實現這一目標，如攝影測量[1]、合成孔徑雷達干涉（Interfermetry Synthetic Aperture Radar，InSAR）[2]、全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）[3]和三維激光掃描[4]等。其中三維激光掃描技術具有高精度、范圍廣和效率高等特點，已廣泛用于古建筑物和文物保護[5]、城鎮規劃[6]、交通事故處理[7]及變形監測[8]等領域。

三維激光掃描技術已經成為變形監測的重要技術手段。羅德安等[9]驗證了三維激光掃描技術在變形監測領域的可行性。張國輝[10]運用三維激光掃描儀對某礦區變形監測時，發現了兩種可實施的方法，在變形區域放置標靶，通過標靶中心在不同時期的位移來監測變化；根據點云數據建立變形區域的數字高程模型，利用基于模型求差的方法分析變形。趙群等[11]對國家體育館內大跨度的鋼架滑移過程應用三維激光掃描技術進行變形監測及分析。

本文重點介紹關于點云數據的處理方法，處理過程包括：數據的讀取、點云數據的拼接、噪聲的處理、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的生成和變形信息的提取等操作步驟，以期獲得有益結論。

1 三維激光掃描儀基本工作原理

在掃描工作中，掃描儀的中心點作為坐標原點O，掃描儀在過原點的水平面上水平轉動的方向為X軸，過原點與X軸垂直的為Y軸，經過坐標原點O且垂直于水平面的為Z軸，這樣坐標軸之間就形成了一個右手坐標系。其中，每一點的坐標可以表達為

式中：S為目標地物反射點到坐標中心距離；θ為掃描儀中心與目標點所成夾角的水平角；φ為垂直角。

三維激光掃描儀不僅可以記錄目標點的三維坐標信息，同時還可記錄目標地物的光學反射率。每種地物都有自己的反射光譜信息，因此在后期進行數據處理的時候，通過數據可顯示出目標區域的反射效果和假彩色（R，G，B）影像。

2 點云數據的處理

在三維激光掃描系統采集點云數據后，需要將海量的點云數據導入中海達三維激光掃描儀配套的軟件（HD-3LS-SCENE），進行點云數據的后續處理。處理過程包括：數據的讀取、點云數據的拼接、噪聲處理、三維建模等。

2.1 點云去噪

在掃描過程中，獲得的點云數據不僅包含掃描區域的數據還包括一些其他的冗余數據，比如附近的教學樓和花壇，土坡上面的草叢等都是掃描儀掃描出來的多余數據。這些多余的數據不僅會讓點云數據量變得更加龐大，也使數據處理變得更加麻煩，數據處理效率降低，而且還會讓點云數據的拼接精度下降。因此，在進行拼接之前需清除這些多余的數據，具體操作步驟如下。

1）導出掃描儀掃描的原始數據，并且將這些原始數據存入電腦中。打開軟件，導入這些“.hsr”格式的原始文件，軟件會自動轉換成“.hls”格式的文件。

2）文件導入后，顯示平面視圖和三維視圖，參考平面視圖判斷哪些為多余的數據。

3）打開選擇區域工具欄，通過各種方式選擇區域，如矩形區域、多邊形區域等，然后在三維視圖中選擇出這些多余數據（注意不要選擇了需要的區域），點擊刪除。

刪除噪聲點后的成果就是需要的結果，為下一步的拼接做準備。去噪前后對比見圖1。

圖1 點云數據去噪前后對比

2.2 點云的拼接

1）將去噪后的點云數據導入，重新選擇路徑保存。

2）在HD-3LS-SCENE的工作區中點擊拼接工程/新建拼接組/快速添加測站/組成拼接組；在界面中依次選擇相鄰的點云數據區域組成拼接組，這些拼接組將由特征點進行拼接。

3）在工具欄中選擇“添加特征點”，在相鄰的點云數據中依次添加同名的特征點，至少選取3個同名點；在掃描站上右擊選擇“自動配對靶球靶子特征點”，然后在對應的拼接組上右擊選擇“刷新控制點”；這些選取的特征點將變為拼接所用的控制點。

4）在選擇完控制點之后，在拼接組上點擊“直接拼接”，軟件會自動根據控制點進行拼接，同時會顯示拼接精度、拼接預覽。在拼接組拼接完一組后，繼續選擇下一拼接組進行拼接，操作步驟相同，直到所有的拼接組拼接完成。拼接完成后，會顯示每個拼接組的拼接精度并且可預覽拼接成果；點擊“導出”，勾選“合并導出”，依然選擇“.hls”格式導出，至此點云數據拼接過程完成。其中，拼接誤差為0.782 mm，拼接結果見圖2。

圖2 多站點云數據拼接結果

3 點云數據生成DEM

1）生成DEM。由于前面拼接過后的模型數據非常龐大，即使經過前面刪減可能大部分電腦也顯示不出來，所以需要先對點云數據進行投影，起到稀釋點云的作用。要生成DEM，TIN，先將點云數據導入，點擊“點云分析”下的“點云模型生成工具”。在彈出的點云模型生成工具窗口中，添加顯示拼接后的數據，選擇投影方式，并且根據實際需要設置網格大小，這里設置為1 m，先點擊生成投影文件。

導入生成的點云投影文件，顯示三維視圖，查看投影后的效果，如果沒有噪聲點則可繼續生成DEM文件。再次打開點云模型生成工具，選擇投影后的點云文件，點擊生成“.tif”格式的DEM和由DEM到TIN，最終導出DEM文件和TIN文件。

2）顯示DEM。在工具欄中添加“模型瀏覽工具欄”，打開DEM，在工具欄中可選擇不同的模型渲染方式查看模型視圖。圖3為按實體渲染的DEM視圖。

圖3 按實體渲染的DEM視圖

將上一步點云數據生成的DEM文件導入ArcGIS10.2中，就能提取出區域的等高線信息。在分析工具欄下的表面分析中，點擊等值線工具欄，輸入剛導入的DEM柵格數據，選擇輸出要素為折線，然后輸入等值線的間距同時輸入起始的高程，點擊“確定”，就可得到該區域的等高線分布圖（見圖4）。

圖4 兩期的等高線分布圖對比

在提取等高線后，兩期數據的高程在43.91～48.21 m之間，而且土坡的頂部朝向為南。由圖4可以看出，兩期掃描數據提取的等高線結果大致相同，等高線大部分重合在一起，部分等高線之間存在差值，經研究有大致兩方面的原因：一是不同測站數據之間拼接時存在拼接誤差；二是軟件算法的原因，在兩期數據生成DEM時存在偏差。這些偏差在可接受范圍內，因此提取的等高線信息與實際情況相符合。

4 DEM變形分析

4.1 變形信息提取

1）將處理過后的兩期點云數據導出為“.las”文件，然后分別導入到Cloud Compare軟件中進行顯示。兩期數據處理結果見圖5。

圖5 兩期數據處理結果

2）Cloud Compare是一款集查看、編輯、處理為一體的三維點云數據配套軟件，支持多種三維點云數據格式。該軟件專業處理點云數據的變形量，通過點云的直接對比，計算出不同區域的變形量。具體操作為同時選擇兩組數據，在工具欄中選擇計算2.5D體積，選擇運用后期數據和前期數據進行比較，得到后面相較于前面的變形量。比較后期數據與前期數據，計算出DEM發生的變形量見圖6。

圖6 兩期數據差值

由圖6可以看出，該土坡的坡面變形量值為0，沒有發生變形。而邊界處可以看到幾處噪聲點，經過研究發現是土坡與道路和其他坡面的連接處因為點云去噪的原因而對結果產生了輕微的影響。

結果表明，三維激光掃描技術監測變形是可行的，也驗證了三維激光掃描技術在變形監測領域的可行性。

4.2 精度分析

為了檢驗三維激光掃描儀掃描區域的精度，探究三維激光掃描儀監測地表變形時的精度是否能達到全站儀的精度，在本次實驗中不僅運用了三維激光掃描儀掃描了實驗區域的點云數據，同時利用全站儀對準了每一個平面標靶的中心，測出了點位的三維坐標，見表1和表2。

表1 第一期全站儀和三維激光掃描儀數據及二者差值

表2 第二期全站儀和三維激光掃描儀數據及二者差值

由表1和表2可以看出，全站儀和三維激光掃描儀數據的X方向的最大誤差為2.4 mm，最小誤差為0.6 mm；Y方向的最大誤差為2.5 mm，最小誤差為0.5 mm；兩者的高程誤差最大為2.6 mm，最小誤差為0.7 mm。根據變形監測精度的要求，三維激光掃描儀的精度滿足一般變形監測領域的要求。

5 結論

1）利用三維激光掃描技術進行地表變形監測與實際的地表變形情況相符合，驗證了三維激光掃描技術在地表變形監測領域中的可行性。

2）基于網格面積可以快速地計算出檢測區域內的變形情況，為實際工作中區域的快速變形監測提供了參考方案。

3）平面標靶中心的坐標與利用全站儀測得的坐標值比對結果表明三維激光掃描技術在監測變形時具有較高的精度，同時多期點云數據的對比分析計算出區域的變形量具有較好的可靠性。