基于三維激光掃描技術的邊坡監測應用研究

梁鵬飛

（福建船政交通職業學院,福建 福州 350012）

我國是自然災害發生頻繁的國家之一，邊坡滑坡、崩塌以及泥石流等自然災害風險高、危險大，其發現和預警難度大，常態的監測和預警投入成本相對高，如何以最少的投入、最及時有效地實現對邊坡進行常態化監測和預警是當前的重難點之一[1-2]。邊坡監測是指為了解邊坡巖體位置移動情況而對邊坡開展位移形變、應力應變、氣象濕度等全方位的監控，以了解邊坡巖體位置移動情況，實現對滑坡、崩塌等災害的預警[1]。目前，邊坡監測的技術方法包括利用全站儀進行點位長期測量技術、利用可量測相機進行近景攝影測量技術、基于機載的雷達干涉測量（Lidar）技術，以及綜合形變、位移各種傳感器的現代全球導航衛星系統（GNSS）變形監測系統技術等[3]。而隨著激光技術的發展，三維激光掃描技術也被應用于邊坡監測，其能夠快速獲取基于面狀分布的點云數據，實現對邊坡由傳統的點狀監測轉變成面狀全范圍監測，具有數據采集效率高、監測精度高、全天候數字化操作、成果表現直觀、成本低等特點[4-5]。

國內外學者關于三維激光掃描技術的應用研究主要包括三維激光掃描的邊坡數據處理技術[6]、邊坡變形監測分析[7-10]以及具體的工程應用[5,11-12]。邊坡監測要求具有較高的監測精度，通常要求精確到毫米，但三維激光掃描的精度驗證是當前基于三維激光掃描的邊坡監測研究的難點之一，因此，本文結合傳統的邊坡監測手段以及三維激光掃描技術，探討基于三維激光掃描技術的邊坡監測應用，同時驗證其監測精度。

1 基于三維激光掃描的邊坡監測技術

1.1 三維激光掃描儀原理

三維激光掃描儀主要由三維激光掃描設備及其內置相機、觀測操作手簿以及點云后數據處理軟件（如Maptek I-Site Studio）組成。首先，三維激光掃描儀通過激光發射裝置每秒發射幾萬甚至幾十萬束相位或者脈沖激光信號；然后，激光信號經觀測目標反射后從原路徑返回來，待掃描儀內置接收器接收到激光信號后，能夠自動計算出掃描儀到掃描物表面的距離；再次，由內置傳感器記錄此時掃描儀的橫向、縱向角度；最后，根據距離和角度通過三角函數關系式計算被測物體真實的三維坐標[9]。三維激光掃描原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀測量是基于儀器內部的坐標系統，根據三角函數相關公式計算出目標點P的真實三維坐標XP、YP、ZP，其計算公式為：

式（1）中，α為激光掃描的橫向角度；β為激光掃描的縱向角度；D為儀器到被掃描目標之間的距離；P為待測點目標[11]。

1.2 三維激光掃描邊坡監測技術流程

三維激光掃描邊坡監測技術主要流程包括監測區現場踏勘、控制網選點及埋石、平面高程控制測量、控制網數據處理、點云數據采集和預處理，以及分析結果輸出等[4]（見圖2）。其中平面控制網的導線網和三角網等級均為一級，高程控制網等級采用四等水準，GNSS網采用E級。由于三維激光掃描采集的點云數據坐標系為內部測站坐標系，要求通過標靶球測量方式，采用多測回測角法獲得，測回數為3回，實現測站坐標系向控制坐標系的三維坐標轉換。在三維激光掃描測量過程中，站點設計應盡量保證以最少的測站能夠覆蓋全部監測區域，同時為保證數據的互補性，相鄰站點之間點云數據重疊度大于20%，監測控制站點應保證有4個以上控制條件[4]。

圖2 工程技術流程圖

2 工程應用實踐

本文選取福建某水庫邊坡處，進行邊坡監測驗證研究，采用傳統的全站儀邊坡監測手段與基于三維激光掃描技術的邊坡監測相結合的方式，探討基于三維激光掃描技術的邊坡監測應用，并驗證其監測精度。

2.1 工程概況

測區邊坡位于某水庫邊坡處，該邊坡坡度較大，地表植被相對稀少，地表裸露，存在邊坡滑坡的風險。為了監測該邊坡位移變形情況，采用三維激光掃描對該區域進行面狀激光點云掃描。同時為了便于對比驗證分析，研究將測區分為兩個區域，即A區和B區（見圖3）。A區植被相對稀少，地表裸露度高，共設立7個常規監測點；B區植被覆蓋相對比較完整，共設立6個監測點，上述13個監測點均采用常規的全站儀監測方式對邊坡進行點對點監測。

圖3 測區基本情況圖

2.2 數據采集

三維掃描儀器：天寶SX10（Trimble SX10）三維激光掃描儀。該掃描儀的點云掃描速度達到26 600點/s，掃描測程600 m，采用相位式和脈沖式相結合技術，掃描速度、精度、距離均能夠達到標稱值。該掃描儀集成的全站儀測角精度0.5"，測距精度棱鏡模式下標準1 mm+1.5 ppm，因此采集的點云數據可精確的與施工監測控制網進行附合。

監測時間：2021年11月29日完成第1次三維激光掃描；2021年12月19日完成第2次三維激光掃描，采集間隔周期為20個自然日。

測站布置：于水庫中心區域（ZD1）和大壩左壩肩處（TN07）共布置監測點2站，測繪站位置如圖4所示。

圖4 測站分布圖

2.3 點云數據處理

2.3.1 點云拼接

由于布置2個測站并分兩次掃描，因此為獲得完整的點云信息，需要對2個測站的各掃描數據進行拼接處理，且2次測站點云數據的重疊度大于20%。點云拼接分為粗拼接和精拼接兩個步驟：（1）粗拼接是利用Maptek I-Site Studio軟件中的點云拼接工具，將2個測站的數據進行初步拼接；（2）精拼接則主要采用已有的控制點對最終的點云拼接結果進行校正驗證[6]。

2.3.2 點云濾波

點云濾波主要采用空間濾波的方式剔除如邊坡上面的植被、草皮以及其他異常地物的點云數據，真實準確地反映現實的地形地貌。目前點云濾波方法包括高斯濾波、曲率濾波、中值濾波和平均濾波等，本項目研究采用高斯濾波的方法對點云進行數據處理[6]。

3 監測結果對比分析

3.1 三維模型構建

為了對比分析邊坡位移情況，需對獲取的點云數據進行三維模型構建。本文采用Maptek軟件對空間濾波處理后的點云數據構建不規則三角網（TIN），對TIN進行處理后生成精細的三角網。為顯現真實的三維邊坡地形地貌，將掃描儀內置相機拍攝的照片渲染在模型上，增加模型紋理效果，構建真實、準確的三維邊坡實景模型。模型以OBJ格式進行保存（見圖5）。

圖5 邊坡實景三維模型細節圖

3.2 三維激光掃描監測結果分析

采用Geomagic Control X軟件提取該區域地面兩次三維點云數據進行三維變形計算，可以看出邊坡監測B區為重點垮塌區域，區域最低高程約為2 267 m，最高高程約為2 357 m，高差90 m。利用軟件對不同變形區域進行色彩條塊設置，用紅色區域表示變形量為正區域，代表該區域無明顯變形發生，或者主要以新增的泥土、石塊堆積為主；用紫色區域表示變形量為負區域，即該區域為存在明顯沉降變形區域，顏色越深，變形越大越明顯。圖6中的淡紅色區域表示邊坡穩定區域，邊坡變形位移相對較小，經統計分析，區域變形范圍在5 cm以內，則該區域可認為是相對穩定區域。而右側較為明顯的淡紫色區域，即B區，其變形沉降明顯，經統計分析，區域變形范圍在5 cm～20 cm，可認為是明顯的滑坡變形區域。

圖6 變形區域分析圖（右邊區域表示沉降區）

3.3 點位精度分析

為了驗證三維激光掃描監測結果的可靠性，在13個常規外觀監測點布設棱鏡，利用全站儀實時獲取邊坡上布設棱鏡處的坐標。同時將三維激光掃描儀掃描到的同名點的點云數據擬合，進而得到每一個棱鏡位置處的中心坐標，對比檢核兩種監測方式的可行性和精度。根據2021年11月29日至12月19日的13個測點外觀監測結果，邊坡A區外觀監測點三維累計變形在8.9 mm～17.3 mm，邊坡B區外觀監測點三維累計變形在76.7 mm～243.4 mm。由常規邊坡監測結果可知，B區監測點均位于滑坡變形區域，而A區監測點則位于滑坡穩定區域。B區五個測點邊坡形變位移對比結果如表1所示。

表1 成果點位精度對比表

由表1可知，三維激光掃描儀的精度相比全站儀略低，最小的差值大概在1 cm以內，最大的差值在5 cm左右，總體來說，對于不穩定邊坡的監測，基于三維激光掃描技術總體精度可以滿足要求。

4 結論

本項目利用先進三維激光掃描技術精確獲取了高危邊坡的激光點云數據，并構建具有真實紋理的三維邊坡模型，通過兩次不同的三維邊坡模型變形監測，分析邊坡滑坡體的總體變形演化規律，得出如下結論：（1）本文詳細地介紹了三維激光掃描技術在邊坡監測中的應用，在一定程度上優化了設計，以期為邊坡監測項目提供有益參考；（2）三維激光掃描可以獲取變形區域的整體變形情況，改變傳統監測方式只能獲取點狀態信息的問題[13]；（3）三維激光掃描儀的監測精度略低于全站儀的監測精度，但前者可滿足不穩定邊坡監測要求。隨著激光技術的發展，基于三維激光掃描的數字化三維實景監測將是邊坡監測技術的未來發展趨勢。三維激光掃描技術具有非接觸性、全數字化采集、采樣“三高特性”（即速度高、精度高、分辨率高）等特點，將使邊坡監測實現點狀監測轉向面狀監測和三維監測，并能真實準確地反映邊坡滑坡的整體變化區域，為邊坡監測治理、滑坡預警等提供有效的數據支撐[14]。