三維激光掃描技術在公路邊坡監測中的應用研究＊

王艋，劉松

（1.楊凌職業技術學院，陜西咸陽 712100；2.中國長江三峽集團有限公司，湖北武漢 430000）

中國公路交通事業在最近幾十年取得了巨大的發展，高速公路、國省道、縣鄉公路四通八達，山區道路沿線有大量邊坡，部分危險邊坡時刻威脅著來往車輛和行人安全，因此對公路邊坡進行監測就顯得尤為重要。

傳統的邊坡安全監測方法主要使用全站儀或GPS測量監測點坐標變化來實現，因方法的局限性，用某些點的位移代表整個面的位移，在一些情況復雜的邊坡監測中往往結果預測不夠準確。三維激光掃描系統因具有非接觸、精度高、分辨率高、面掃描的優勢，能夠快速獲取邊坡面大量點的三維坐標，并無需工作人員在邊坡上架設儀器，節約人力、物力，并確保人員的安全，因此三維激光掃描技術在復雜邊坡的監測中往往能發揮出更大的作用。

1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是一種新興的測繪技術，又稱為“實景復制技術”，是測繪領域繼GPS 技術之后的又一次技術革命，逐漸成為科研和工程人員解決實際問題選擇的主要手段，為科學研究和工程建設提供了精確的三維數據。

三維激光掃描技術與傳統的方法相比具有以下優勢：非接觸測量、數據采樣率高、主動發射光源、高分辨率、高精度、全景化掃描等。作為一種先進的地理信息數據獲取技術，其獲取的三維數據稱為點云數據，點云數據不僅包含三維坐標，還包括反射率和色彩（RGB）信息，依據點云數據可以建立被掃描目標的三維模型。

地面三維激光掃描系統由掃描單元、控制單元、電源、三腳架和配套軟件組成，內置有CCD 相機，用于獲取目標的色彩信息，如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描系統

三維激光掃描儀可以直接獲取的原始數據如下：①根據2 個連續轉動的用來反射激光脈沖鏡子的角度值得到激光束的水平方向值和豎直方向值；②根據激光傳播的時間計算出儀器到掃描點的距離，再根據激光束的水平方向角和豎直方向角數值，可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標值，如圖2 所示；③掃描點的反射強度。

圖2 三維激光掃描坐標系

式中：S為儀器至被掃描目標點之間的距離的數值；θ為激光脈沖縱向掃描角的數值；α為激光脈沖橫向掃描角的數值。

2 基于三維激光掃描技術的公路邊坡監測方法及作業流程

基于三維激光掃描技術的公路邊坡監測方法基本原理是通過三維激光掃描儀獲取同一邊坡不同時段的點云數據，分別對數據進行預處理，并生成三維模型，通過對比坡面三維模型變化量，分析公路邊坡的變形情況。基于三維激光掃描技術的公路邊坡監測作業流程如圖3 所示。

圖3 基于三維激光掃描技術的公路邊坡監測作業流程圖

2.1 方案設計

在正式作業前根據甲方需求、作業目的和實地情況，按照三維激光掃描作業規范有針對性地制定外業工作方案，確保能夠高效全面地完成外業工作，并且掃描的數據也能夠滿足內業數據處理的需求。

2.2 外業數據采集

根據需要在滑坡體周圍布設部分控制點，按照設計方案進行測站布置，選定測站點點位及標靶位置，在盡量少設站的前提下，確保相鄰測站間至少有3 個公共標靶，并盡量提升測區掃描覆蓋率。

2.3 點云數據預處理

因外業獲取的點云數據都是單站掃描獲取，不同測站獲取的數據處于離散狀態，因此需要先將多站的掃描數據拼接成一個整體，拼接的方法主要有基于標靶的拼接方法、基于特征點的拼接方法和測站點+后視點的拼接方法。

掃描獲取的點云數據中包含滑坡體外無用的數據以及因為多種原因產生的誤差比較大或錯誤的點云數據，因此要對拼接后的數據進行點云去噪，避免錯誤的數據對結果造成影響。

因為外業掃描時為保證能夠獲取到更多細節的點云數據，因此設置的掃描分辨率比較高，導致數據量過大，對后期數據處理帶來了很多不便，因此需要對點云數據進行重采樣，也就是點云抽稀，根據被掃描目標的特點選擇合適的重采樣方法，既要保留點云特征也要適當降低點云密度，減少數據量。

2.4 構建三維可視化模型

利用軟件對數據預處理后的測區的點云數據進行模型構建，建立測區滑坡體的可視化模型。

2.5 數據分析

將不同時間段獲取的點云數據進行三維模型重構，在測區滑坡體上尋找一部分特征點，分析比較不同時間段的變形量，進而分析整個滑坡體的變形情況。

3 工程實例

3.1 點云數據采集

本次選取的試驗對象位于陜西省楊凌示范區的省道107 扶楊眉公路楊陵段某處公路邊坡，省道107 扶楊眉公路楊凌段于2021 年10 月正式通車，項目起點位于楊凌示范區揉谷鎮除張村北，向南上跨隴海鐵路、西寶中線、西寶高速，下穿西寶高鐵，經姜嫄村至渭河北岸河堤路，全長4.3 km。全線按照公路一級技術標準建設，路面寬24.5 m，其中控制性橋梁3 座，全線設計為瀝青混泥土路面。全線有多處山體開挖區，開挖區兩側存在山體邊坡。楊凌示范區地處關中平原中部，氣候濕潤，特別是夏季雨水較多，公路沿線山體土質以濕陷性黃土為主，土質松散，在雨水較多的季節，極易發生山體滑坡事故，對過往車輛及周邊村落產生安全威脅。因此，對滑坡體進行定期位移監測顯得尤為重要。

根據公路邊坡實地的具體情況，使用FARO FOCUS S 型三維激光掃描儀進行掃描。根據公路邊坡的實際大小，選擇在邊坡對面馬路邊建站，距離滑坡體約30 m，邊坡上無植被遮擋，掃描環境良好；相鄰2 站之間要有一定的重疊區域[1]，避免2 站掃描拼接處點云出現漏洞。將掃描站點進行科學的布置，有利于提高效率，避免重復掃描，同時提高核心區域的監測精度。

3.2 數據處理

將掃描的數據導入SCENCE 軟件中進行初步處理。去噪工作中先去除滑坡體以外的點云數據（如圖4所示），減少數據量；最后通過軟件導出xyz格式的數據[2]。

圖4 滑坡體點云數據

將xyz格式的數據導入到Geomagic Studio軟件中，進行濾波處理以達到去除部分噪聲數據的目的；根據點云密度和實際需求，用曲率采樣的方法進行重采樣，盡量保證特征區域點云密度的前提下，以減少點云數量，提高處理效率；對處理后的點云數據進行封裝處理，重構三維模型。Geomagic Studio 軟件點云數據處理流程如圖5 所示。

圖5 Geomagic Studio 軟件點云數據處理流程圖

3.2.1 點階段[3]

將SCENCE 軟件處理好的點云數據導入到Geomagic Studio 軟件中，首先對點云進行著色以便于更方便地觀察其三維效果。對點云數據中的誤差較大的噪聲點進行處理，軟件中內置的去噪方法有選擇非連接項、去除體外孤點、減少噪聲3 種方法，可以分別使用去除體外孤點、減少噪聲的的方法對點云進行處理，處理后的點云數據如圖6 所示。

圖6 減少噪聲后的點云數據

對去噪后的點云數據進行點云采樣，也稱為點云抽稀，以減少點云數據的數量，便于減少數據處理的工作量。對點云進行封裝處理，選擇曲面封裝形式，封裝后的點云數據如圖7 所示。

圖7 封裝后的點云數據

3.2.2 多邊形階段[3]

封裝之后的點云數據表面會有一些空洞、翻轉和重疊的情況，需要使用軟件格網醫生功能進行修補，形成一個完整的模型。

3.2.3 形狀階段[3]

基于上一步生成的多邊形網格數據生成NURBS曲面，使用Geomagic Studio 軟件自動擬合生成曲面，最終形成的公路邊坡曲面模型如圖8 所示。

圖8 滑坡體模型

3.3 數據分析

使用Geomagic Studio 軟件內置的Geomagic Qualify 模塊對2 次掃描的數據進行分析[3]，2 次掃描數據變形區域變形量分布如表1 所示。

表1 2 期數據變形值分布表

由以上數據可知，滑坡體2 期數據間最大變形量為-1.375 1 mm，大部分區域均存在形變。分析原因發現，滑坡體為黃土構造，且降水量充沛，導致滑坡體大部分區域產生位移，滑坡體下方不遠處為村落。因此，對滑坡體進行定期監測和治理就顯得尤為必要。

4 結論

三維激光掃描技術彌補了傳統的公路邊坡監測方法無法采集到詳細表面信息的缺陷，通過2 次獲取數據生成的曲面的比較，獲取對應位置變形值，分析結果比傳統方法更加全面，且在實施過程中無需在滑坡體表面立目標，大大提升了安全性和效率，特別是對陡峭的公路邊坡監測具有重大的意義。