三維激光掃描技術在渠坡凍脹監(jiān)測中的應用

周富強，吳 艷，戴燦偉，謝振召

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊新瑞徠儀器有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

徠卡測量新技術應用專欄

三維激光掃描技術在渠坡凍脹監(jiān)測中的應用

周富強1，吳 艷1，戴燦偉1，謝振召2

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊新瑞徠儀器有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

采用三維激光掃描技術開展了嚴寒寒冷地區(qū)不同渠道結構在渠底、岸坡結冰情況下的原位野外凍脹量監(jiān)測試驗研究，結合渠道自身的實際運行工況，對不同渠道護坡形式的凍脹量影響因素進行了分析。成果表明，利用三維激光掃描技術進行渠道凍脹量監(jiān)測是可行的。

渠道；凍脹；監(jiān)測；三維激光；點云

一、前 言

由于三維激光掃描可在較短時間內獲取地形及空間物體三維表面的陣列式幾何圖形數據，完整、高精度地重建掃描實物，提取實物特征等，其在水利工程中的應用越來越受到人們的重視，主要體現在地形測繪[1]、變形[2-3]、隧洞缺陷檢測[4]等領域?？蒲腥藛T對涉及三維激光掃描點云數據處理精度的標靶[5]、點云配準[6]及擬合[7]、點云分辨率[8]、數據拼接[9]等進行了富有成效的研究，并對其測量[10]及應用誤差[11-12]進行了有意義的探討。由此可見，目前三維激光掃描技術的應用已日臻成熟。

新疆等西北嚴寒寒冷地區(qū)渠道冬季延長供水或全冬季供水，造成渠道底部殘余水未能及時排除而結冰、岸坡結冰的問題比較突出，由此產生較大的凍脹量，導致渠道破壞的現象十分嚴重，不僅增加了維修成本，制約工程效益的發(fā)揮，更浪費了寶貴的水資源。以往對于渠道冬季供水對渠道整體結構的影響研究較少。當前凍脹量監(jiān)測主要是采用水準儀、全站儀和一些常規(guī)的監(jiān)測儀器(如位移計改裝)等實現的，取得的觀測數據不夠準確和全面，且監(jiān)測成果反映的是渠坡某點的凍脹量，而不能全面反映渠坡的整體凍脹變形情況。因此本文利用三維激光掃描技術，針對嚴寒寒冷地區(qū)幾種主要的護岸形式，開展凍脹變形研究，以分析不同護坡形式下的凍脹特征。

二、試驗設計及過程

1.試驗設計

為準確了解新疆等西北嚴寒寒冷地區(qū)渠道整體的凍脹變化情況，2013年初冬，修建野外原位渠道凍脹試驗段，如圖1所示。試驗段全長36 m，梯形斷面，渠底坡比為1%，渠底寬0.2 m，坡高1.50 m，坡比1.30，東西走向。左側岸坡分4個填筑區(qū)域，填筑料均為砂礫石，依次采用硬質混凝襯砌、生態(tài)袋、裸露黏土等護坡形式，長度分別為12 m、8 m、6 m、10 m?；炷烈r砌板厚6 cm，一次整體澆筑完成，未采取結構分縫，黏土密實度1.50～1.84 g/cm3。

圖1 野外渠道凍脹監(jiān)測試驗段俯視示意圖

受野外地形的限制，MS50全站掃描儀的測站只能架設在臨近右岸的山坡上，觀測渠道左岸的凍脹變形。渠道冰面以上渠坡變形采用Leica公司生產的三維激光掃描儀，采集凍脹量點云數據；冰面以下的變形還是以常規(guī)儀器為準，埋設大量的土壤水分儀、溫度計及凍脹融沉計等監(jiān)測儀器。

根據礫石土壤一般被認為不具凍脹性的特點，在基準點周圍2～3 m、凍結深度以下0.5 m的范圍內換填砂礫石予以夯實，作為基準，同時采用全站儀及水準儀對基點變位予以校核。

2.試驗過程

試驗段修建完畢，在測站上架設三維激光掃描儀，選取基準點CT1、CT2和CT3作為參考點，對渠道凍脹前的原始形狀進行掃描，獲取渠道三維表面的陣列式幾何點云圖形數據。2014年1月4—5日，對渠道進行了注水，渠道結冰厚度約50 cm。2014年3月10日，清除冰面及渠坡的積雪，對渠道進行二次掃描，獲得豎向凍脹之后的渠道點云數據。試驗凍脹沉陷前后的點云配準以未凍脹時的測站坐標系為基準，對3個同名標靶進行拼接，以此開展渠道的凍脹分析。

三、試驗段凍脹量影響因素監(jiān)測

2014年1、2月份的月均氣溫分別為－11.2℃、－14.9℃，屬于典型的嚴寒氣候，日均氣溫在－21.75～－2.07℃，日均負溫累計天數為67 d，土壤凍結指數為683.1，試驗段當地最大凍土深度1.5 m，冰層凍結厚度一般在60～70 cm。

渠道注水之后，隨著渠道水體滲入土壤及渠底上部冰體的覆蓋，冰面以下裸土和混凝土襯砌表面的溫度有所上升，土壤凍結深度也相應有所減少，約為38 cm；裸露黏土水面線以下表面的土壤含水率均較高，后期隨著內部水分向表面的遷移及向更深內部的滲漏，裸土內部含水率逐步降低，而表面的水分由于有冰體的覆蓋，土壤含水率基本穩(wěn)定；混凝土襯砌下的土壤內部含水率處于緩慢的上升狀態(tài)(如圖2、表1所示)。

表1 原型試驗渠道凍脹影響因素特征統(tǒng)計表

圖2 原型試驗渠道底部土壤含水率過程線

四、點云數據成果分析

1.凍脹量點云數據成果

截取冰面以上部分的渠坡點云數據進行豎向凍脹量的分析，以凍脹前的初始點云數據為基準，根據兩次掃描獲得的點云數據進行數據的拼接配準、分割提取及去噪后，開展渠道原始及凍脹后的逆向三維數字模型重構，并對重構之后的兩次數字模型進行對比分析，求出渠坡整體豎向凍脹量，如圖3所示。

渠道的走向大體分為3段，有兩個變徑點，其變形量較大，主要表現為向渠道外側的位移，兩個部位的變形量分別為1.3～20.5 mm、11.6～47.9 mm。

從點云數據中分別提取混凝土硬質邊坡等4種護坡形式典型斷面的凍脹量，混凝土硬質邊坡和裸露黏土均表現為凍脹變形，而無論裸土渠道還是混凝土襯砌渠道，均表現為距渠道頂部約20 cm的范圍內渠坡的豎向凍脹量最大，混凝土襯砌板豎向凍脹量遠小于黏性裸土的豎向凍脹量。與常規(guī)埋設于渠底及水面線附近的凍脹融沉計的監(jiān)測數據對比分析可知，點云數據的處理結果還是較好的，符合渠道的變形規(guī)律，見表2。

圖3 典型渠道凍脹分布示意圖

表2 凍脹量統(tǒng)計表mm

生態(tài)袋和輪胎護坡形式表現為沉陷引起的變形，生態(tài)袋的變形較大，量值為23.3～52.5 mm，輪胎的變形量較小。結合凍脹融沉計的監(jiān)測數據來看，生態(tài)袋護岸水面線以上附近的沉降變形較水面線附近及渠底的大，如圖4所示。

2.凍脹量影響因素

影響土的凍脹的主要因素有土質、水分補給、凍結條件(溫度梯度和凍結速率)及上覆冰雪等荷載。土體在凍結過程中，由于水分遷移使凍結鋒面土體的含水率增大，加劇了凍結時的體積膨脹，增大了土體的孔隙體積。一般而言，土體溫度為－7℃～－1℃時，凍脹量約占最大凍脹量的95%以上，在深冬季節(jié)，凍脹量變化并不是很大。

新疆等西北地區(qū)在冬季普遍存在季節(jié)性凍土表面覆蓋一層冰體和積雪的現象。結冰體和積雪的存在改變了土壤與大氣之間的水熱傳遞規(guī)律，相當于在渠基土表面覆蓋了一層保溫材料，減緩了環(huán)境溫度對土壤凍結速度及深度的影響，因此有效地提高了渠基土內部的溫度分布，從而降低了凍脹量。已有的研究表明，積雪覆蓋土壤比裸地平均地溫高出1℃，土壤表面0～100 cm內的體積含水率高出2%[13]。野外原位試驗渠道在歷時2個半月后，受冰體及積雪覆蓋的影響，渠坡法向土壤深度40 cm處的溫度基本穩(wěn)定在0℃，土壤含水率基本穩(wěn)定在30%左右，遠大于黏土及砂礫土的起始凍脹含水率(分別為12%～17%和6%～8%)，因此土壤的凍脹變形基本穩(wěn)定，對于裸黏土和混凝土襯砌而言，點云數據的處理結果為最終凍脹量。

圖4 渠道典型斷面凍脹量分布圖

對于冬季延長供水期或全冬季供水渠道，底部積冰是一個不容忽視的問題。由于冰體膨脹產生的推力，底部附近均產生向渠外側的變形趨勢，水面線附近向渠道內側變形，在混凝土襯砌整體性及裸土凍結面的約束作用下，其變形與未結冰的渠道相比，加大了水面線以上渠坡的變形，降低了水面線以下的凍脹變形，點云數據的處理結果基本符合渠坡的實際運行狀態(tài)。

對于生態(tài)袋護岸，由于生態(tài)袋內的土壤無法夯實，相對裸土和混凝土襯砌而言，結構較為松散，袋內土體受凍，更多地表現為因收縮而產生的沉降變形。受密實度及含水率分布不均的影響，即使相同的渠基料，其凍脹量也略有差別。

3.點云數據誤差

無論是混凝土襯砌板還是黏性裸土的凍脹，除了考慮渠道自身的實際運行工況外，可能還有以下幾種影響因素：

1)通過對基準點前后兩次變位的觀測，基準點的水平及豎向變形量在2 mm以內，量值較小，其對點云數據的誤差影響不大。

2)經計算分析，凍脹前后兩次掃描的點云數據拼接中誤差在2 mm以內，且主要表現為豎向誤差，因此點云數據的精度可以滿足巖土凍脹量試驗要求。

4.點云數據存在的一些問題

雖然三維激光掃描系統(tǒng)的硬件和點云數據的后續(xù)處理已經比較成熟，關于點云數據的誤差也進行了大量的研究和分析，但在水利工程的具體應用方面，該行業(yè)專業(yè)特性的要求在很大程度上制約了該技術的推廣和應用。

1)在試驗中，三維激光掃描儀只能掃描冰面以上的渠坡凍脹的變化情況，對于激光光源反射不足的冰面，容易造成掃描盲區(qū)，應剔除相應區(qū)域的點云數據。

2)點云數據獲取前需清除渠坡的積雪，清掃過程對坡面的擾動等因素是凍脹量產生較大誤差的主要來源，但排除該影響因素是較為困難的。

3)點云數據獲取速度快、精度較高；但是點云數據量巨大，而且數據結構相對復雜，對數據處理技術人員的技術水平要求高，數據處理時間要遠遠多于測量的時間，因此激光點云數據處理方面還需要有更多的改善。

4)點云數據處理的精度缺乏國標及相關行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，監(jiān)測數據的可靠性有待于相關行業(yè)的廣泛認可，尤其是在觀測精度要求比較高的水利工程監(jiān)測行業(yè)。

五、結束語

本文采用三維激光掃描技術，獲取了西北嚴寒寒冷地區(qū)渠底結冰、渠坡含水率較高的渠道凍脹量的點云數據，并對凍脹量的影響因素進行了分析和研究。結果表明，利用三維激光掃描技術進行渠道凍脹量監(jiān)測是可行的，能全面地反映渠坡的整體凍脹變形量及分布情況，豐富了水利工程的監(jiān)測方法。同時，筆者針對其在應用過程中出現的問題，也指出了不足。

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The Application of 3D Laser Scanning Technique in Cannel Slope Frost-heavy Monitoring

ZHOU Fuqiang，WU Yan，DAI Canwei，XIE Zhenzhao

P258

B

0494-0911(2014)11-0129-04

2014-08-12

水利部公益性行業(yè)科研專項(201301022)；新疆公益性科研院所基本科研業(yè)務經費(KY2014039)；新疆科研機構創(chuàng)新發(fā)展專項(2014009)

周富強(1970－)，男，新疆昌吉人，教授級高級工程師，主要從事安全監(jiān)測方面的工作。

周富強，吳艷，戴燦偉，等.三維激光掃描技術在渠坡凍脹監(jiān)測中的應用[J].測繪通報，2014(11)：129-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0001