三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司

摘要：三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，利用三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)具有效率高，數(shù)據(jù)量大，速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且其數(shù)據(jù)本身具有較高的精度。本文就三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：變形監(jiān)測(cè) 三維激光掃描

前言

20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)的三維激光掃描技術(shù)，可以簡(jiǎn)單高效地獲取變形體的三維數(shù)據(jù)，把以前以點(diǎn)代面的監(jiān)測(cè)方法改變?yōu)槿中缘恼w監(jiān)測(cè)方法，全面地掌握變形體的變形過(guò)程和變形規(guī)律，豐富變形測(cè)量的內(nèi)涵。與傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有無(wú)需事先埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備、無(wú)接觸測(cè)量、監(jiān)測(cè)速度快、測(cè)量精度高、能夠反映坡體的總體變形趨勢(shì)等特點(diǎn)，可以快速獲取高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及建模后可以得到整個(gè)變形監(jiān)測(cè)體的變化信息，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究可掌握其變形發(fā)展規(guī)律，開(kāi)展滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)研究。本文采用RIEGL VZ一1000脈沖式三維激光掃描系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)某立交橋的邊坡變形為實(shí)例，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，引入第三方點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio和Geomagic Qualify進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理和變形分析，研究了邊坡?lián)鯄ΡO(jiān)測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法。

1 地面三維激光掃描技術(shù)的基本原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)和其他附件設(shè)備組成。激光掃描儀本身包括激光測(cè)距系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，同時(shí)也集成了CCD和儀器內(nèi)部控制及校正系統(tǒng)等（如圖1所示）。

圖1固定式地面激光掃描系統(tǒng)示意圖

激光掃描儀的測(cè)距方法是根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量的原理，以激光作為光源，將其投射到被測(cè)物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成像的偏移，通過(guò)被測(cè)物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系，計(jì)算物體的深度信息（如圖2所示）。

圖2激光三角法原理圖

激光掃描儀的發(fā)射器通過(guò)激光一極管發(fā)射近似紅外波的安全激光束，對(duì)所測(cè)對(duì)象進(jìn)行立體面狀掃描。在掃描儀內(nèi)，掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的水平方向值a和大頂距值。借助設(shè)備獲取從物體上反射回來(lái)的激光，通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間或相位差，計(jì)算出激光掃描儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度I，a，和S用來(lái)計(jì)算激光打在被測(cè)物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描測(cè)量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在縱向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此得到點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式：

X=Ssinsina

Y=Ssincosa （1）

Z=Scos

2 地面三維激光掃描儀選用

變形監(jiān)測(cè)要求測(cè)量?jī)x器具有較高的數(shù)據(jù)采集精度，測(cè)量數(shù)據(jù)處理后要具有精確建模精度，部分高邊坡還要求測(cè)量?jī)x器具有高仰角測(cè)量功能。根據(jù)這些要求，選用了奧地利RIEGL公司推出的R1EGL VZ一1000激光掃描儀，其采用了脈沖法測(cè)距方式，擁有RIE GL獨(dú)一無(wú)二的全波形回波技術(shù)和實(shí)時(shí)全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每秒可發(fā)射高達(dá)300000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.0005。的角分辨率，掃描距離可達(dá)1.4 kma除此以外，

基于R1GEL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，能夠產(chǎn)生完全線(xiàn)性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點(diǎn)云線(xiàn)。接口方面預(yù)留了C PS和數(shù)碼相機(jī)接口，可在儀器上部連接CPS設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，連接數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行影像同步采集。RIEGL VZ一1000激光掃描儀的基本性能參數(shù)見(jiàn)表1

表1 RIEGL VZ一1000激光掃描儀參數(shù)表

儀器

型號(hào)掃描距離、

（目標(biāo)反射

率為

800%）/m掃描視場(chǎng)角（水平垂直）/°測(cè)量精度

mm /m測(cè)量速度

點(diǎn)/s激光安全等級(jí)外部

操作

控制連接

方式

RIEGLVZ-10001.5-1400360×1005/100300000Class1PC，PDALAN/WLAN，無(wú)線(xiàn)

3 技術(shù)路線(xiàn)設(shè)計(jì)

圖3變形監(jiān)測(cè)基本流程圖

變形監(jiān)測(cè)的任務(wù)是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征；目的是要掌握變形體的實(shí)際狀態(tài)，為判斷其安全提供必要的信息。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，其坐標(biāo)系統(tǒng)可采用獨(dú)立的變形監(jiān)測(cè)坐標(biāo)系統(tǒng)，也可與城市控制或國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)測(cè)?；谌S激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)基本流程如圖3所示。

4 邊坡監(jiān)測(cè)

本次對(duì)某立交橋的部分邊坡?lián)鯄M(jìn)行監(jiān)測(cè)。前期采用常規(guī)手段對(duì)該擋墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，己布設(shè)了變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)，經(jīng)檢校其滿(mǎn)足變形監(jiān)測(cè)精度要求，直接作為地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描觀測(cè)的控制點(diǎn)（如圖4所示）。

圖4 大橋立交邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測(cè)控制示意圖

4.1數(shù)據(jù)采集

掃描數(shù)據(jù)外業(yè)采集，采用“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的測(cè)量方式，在DQ1上架設(shè)掃描儀，在DQ2和DQ3上架設(shè)標(biāo)靶，其中DQ3作為后視定向點(diǎn)，DQ2作為檢校點(diǎn)。掃描測(cè)站點(diǎn)距監(jiān)測(cè)擋墻20m左右，為保證較高的采樣精度和外業(yè)作業(yè)效率，點(diǎn)云分辨率設(shè)置為100 m距離0.05 m，每次掃描時(shí)間在10 min左右，每站對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)掃描4次。在常規(guī)觀測(cè)的同時(shí)，選取部分邊坡?lián)鯄Γ捎脪呙鑳x進(jìn)行了兩期掃描。

4.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入隨機(jī)軟件Riscan Pro中，同時(shí)將控制點(diǎn)坐標(biāo)信息錄入到軟件中，運(yùn)用軟件的Back-sighting orientation功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到在大地坐標(biāo)系下的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在許多雜點(diǎn)和多余數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行剔除處理，得到擋墻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將通過(guò)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以通用的文本格式輸出，以便后期第三方軟件調(diào)用。

4.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模采用Geomagic Studio軟件，是由美國(guó)Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為N URBS曲面，也可根據(jù)任意實(shí)物零部件自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。

將預(yù)處理輸出的文本格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)入GeomaGeomagic Studio軟件中，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色、離散點(diǎn)刪除、去噪、抽稀、封裝，得到三角網(wǎng)模型后，利用軟件的“松弛”功能對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)一步優(yōu)化，使三角網(wǎng)模型更加平滑，接近真實(shí)實(shí)體。

分別將兩期數(shù)據(jù)按上述流程進(jìn)行處理，把得到的三角網(wǎng)模型導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件進(jìn)行變形分析。

4.4邊坡變形分析

邊坡分析軟件采用美國(guó)Geomagic公司提供的Geomagic Qualify，這個(gè)軟件可以準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)到CAD三維數(shù)字參考模型與實(shí)際構(gòu)造部件之間的尺寸誤差，并自動(dòng)地將這種比較結(jié)果的差異以直觀、易懂的色譜圖形式顯示出來(lái)，可以進(jìn)行形位誤差的比較、評(píng)估等。

將經(jīng)過(guò)處理得到的兩期三角網(wǎng)模型調(diào)入Geomagic Qualify軟件中，將第一期數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù)，第一期數(shù)據(jù)設(shè)置為測(cè)試數(shù)據(jù)。運(yùn)用“3 D比較”功能對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

通過(guò)3D比較分析，得到兩個(gè)模型之間的最大偏差正負(fù)分別為+0.012 3 m和-0.014 7 m；平均偏差為0.000 2 m，正負(fù)分別為+0.0018m和-0.002 4 m；標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 8 m?？梢钥闯鰞善跀?shù)據(jù)表面偏差分布不均勻，出現(xiàn)該情況的原因是邊坡表面不平滑，導(dǎo)致建立的模型表面平滑度不高所致。根據(jù)其平均偏差在毫米級(jí)且值很小，說(shuō)明兩期數(shù)據(jù)之間沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

在3D分析結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件提供2D比較功能，在邊坡?lián)鯄ι戏謩e截取一個(gè)橫截面和縱截面，對(duì)兩個(gè)截面上的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

通過(guò)2D比較得到的結(jié)果見(jiàn)表2a

表2 2D分析結(jié)果

截面最大偏差/m平均偏差/m標(biāo)準(zhǔn)偏差/m

正負(fù)正負(fù)

橫截面+0.0087-0.0087+0.0011-0.00710.0035

縱截面+0.0089-0.0079+0.0017-0.00410.0027

從以上方法分析得出的結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)的邊坡?lián)鯄μ幱诜€(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)與常規(guī)方法得出的結(jié)果進(jìn)行印證，結(jié)論一致。該方法能夠滿(mǎn)足邊坡變形監(jiān)測(cè)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將地面三維掃描技術(shù)應(yīng)用到了邊坡變形監(jiān)測(cè)中，引入用于逆向工程和三維檢測(cè)的第三方軟件進(jìn)行變形分析。對(duì)具體的監(jiān)測(cè)技術(shù)路線(xiàn)和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了探討，得出了一種新的邊坡變形監(jiān)測(cè)方法，為同類(lèi)變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供了參考。

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