地面激光掃描儀在鐵路工程滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

許　磊　石德斌　鄭順義　張志剛

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251；2.武漢大學(xué)，湖北武漢　430079)

Research on Railroad Landslide Monitoring Using Terrestrial Laser Scanner

XU Lei1，2　SHI Debin1　ZHENG Shunyi2　ZHANG Zhigang1

地面激光掃描儀在鐵路工程滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

許磊1，2石德斌1鄭順義2張志剛1

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251；2.武漢大學(xué)，湖北武漢430079)

Research on Railroad Landslide Monitoring Using Terrestrial Laser Scanner

XU Lei1，2SHI Debin1ZHENG Shunyi2ZHANG Zhigang1

摘要采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)鐵路工程附近的滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)多站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)拼接后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地形濾波，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)；最后，對(duì)不同期次的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形值。

關(guān)鍵詞鐵路工程滑坡監(jiān)測(cè)地形濾波點(diǎn)云拼接

目前，滑坡的變形監(jiān)測(cè)主要有以下幾種手段：(1)基于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的監(jiān)測(cè)，如GNSS、全站儀、電子水準(zhǔn)儀等，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)化和智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。(2)基于各類傳感器的監(jiān)測(cè)，如基于地表傾斜監(jiān)測(cè)儀、重力加速度計(jì)(Shape Accel Array，SAA)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)，以及其他光纖類型的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器。(3)基于地面激光掃描儀、移動(dòng)式激光掃描儀等激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。相對(duì)前兩種監(jiān)測(cè)手段，利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以建立三維立體模型來(lái)分析鐵路附近滑坡體的變形情況。

采用地面激光掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)滑坡體的掃描與點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。對(duì)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行植被濾波，建立掃描數(shù)據(jù)的八叉樹結(jié)構(gòu)。采用Hausdorff Distance算法，對(duì)不同期次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，不同的變形量用不同的顏色值表示，并配上“顏色-變形量”比對(duì)表，再將顏色值賦予點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以直觀、形象地表達(dá)滑坡的變形量，用不同的結(jié)構(gòu)斷面，從細(xì)節(jié)上表達(dá)變形體局部的變形情況。

1基于激光掃描技術(shù)的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1　外業(yè)數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描儀主動(dòng)發(fā)射激光束，經(jīng)過(guò)被測(cè)物體的反射，掃描儀接收反射回的激光束，進(jìn)而計(jì)算被掃描物體的三維坐標(biāo)。受掃描儀有效距離、掃描儀與被測(cè)物體之間的通視條件、被測(cè)物體的反射率以及地形與周邊大氣環(huán)境的影響，需要多次設(shè)站，獲得整個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

首先，在滑坡體范圍外埋設(shè)一組監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。為了獲得基準(zhǔn)點(diǎn)的高精度平面坐標(biāo)和高程值，分別對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行平面和高程測(cè)量，平面測(cè)量采用導(dǎo)線網(wǎng)布設(shè)方式、全站儀多測(cè)回測(cè)角的方式進(jìn)行觀測(cè)，精度滿足四等導(dǎo)線精度要求；高程采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程觀測(cè)，精度滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量要求。在進(jìn)行掃描時(shí)，把掃描儀靶標(biāo)安裝到基準(zhǔn)點(diǎn)的預(yù)埋件上，同步獲取掃描靶標(biāo)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，選擇掃描儀設(shè)站位置，并現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記。掃描儀設(shè)站位置的選擇要滿足以下條件：(1)每站能夠掃描到不少于3個(gè)靶標(biāo)。(2)掃描儀設(shè)站數(shù)量盡可能少。(3)經(jīng)過(guò)拼接的點(diǎn)云，能夠覆蓋滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域。為保證重復(fù)掃描測(cè)量時(shí)獲得的監(jiān)測(cè)區(qū)域點(diǎn)云分布一致，掃描設(shè)站位置應(yīng)固定，并且每次設(shè)站的儀器高度大致相同。外業(yè)掃描測(cè)站布設(shè)如圖1所示。

圖1　掃描儀設(shè)站位置布設(shè)示意

1.2　多站點(diǎn)云拼接

地面三維激光掃描儀獲得激光點(diǎn)云是相對(duì)于掃描儀中心的三維坐標(biāo)，如果要獲得掃描區(qū)域完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要利用多次掃描站數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接。通過(guò)對(duì)控制靶標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算靶標(biāo)中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再利用基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用布爾沙轉(zhuǎn)換模型。如式(1)所示，當(dāng)控制靶標(biāo)數(shù)量多于3個(gè)時(shí)，通過(guò)最小二乘原理，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成測(cè)站坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。把完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)云進(jìn)行拼接、分割，即可獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云。

(1)

式中X1，Y1，Z1——原坐標(biāo)系坐標(biāo)；

X2，Y2，Z2——目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)；

Tx，Ty，Tz，D，Rx，Ry，Rz——七參數(shù)。

1.3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波

當(dāng)滑坡體監(jiān)測(cè)區(qū)域有植被信息時(shí)，需要對(duì)植被進(jìn)行濾波，確保分析的數(shù)據(jù)只含有地形數(shù)據(jù)。如果使用的地面激光掃描儀具有多次回波數(shù)據(jù)，可以利用多次回波數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始濾波，以剔除部分植被信息。對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云建立八叉樹(Octree)結(jié)構(gòu)，再根據(jù)地形坡度信息，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行地形濾波，并對(duì)濾波后的區(qū)域進(jìn)行三角化和平滑處理，以獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地形數(shù)據(jù)。

1.4　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變化檢測(cè)

采用三維激光掃描儀對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行掃描，獲得滑坡區(qū)域的多期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)分析計(jì)算，進(jìn)而獲得滑坡區(qū)域的變化量。有以下3種方法可以采用：

①在監(jiān)測(cè)體上設(shè)置固定的反射目標(biāo)，利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取反射目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，通過(guò)不同期次的三維坐標(biāo)比較，獲得滑坡監(jiān)測(cè)體上的反射標(biāo)志變形量。

②將需要對(duì)比分析的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立八叉樹結(jié)構(gòu)，通過(guò)遍歷循環(huán)本期點(diǎn)云上所有點(diǎn)，搜索在上期點(diǎn)云(參考數(shù)據(jù))的最近點(diǎn)，再通過(guò)計(jì)算兩點(diǎn)(本期點(diǎn)與參考期點(diǎn))之間的距離，反應(yīng)兩期點(diǎn)云的變形量。

③將參考點(diǎn)云建立格網(wǎng)(mesh)模型，通過(guò)遍歷用作比較分析的點(diǎn)云所有點(diǎn)到mesh模型的最短距離，反應(yīng)監(jiān)測(cè)體的變形信息(如圖2所示)。用作參考期次的點(diǎn)云建立mesh模型，遍歷循環(huán)對(duì)比分析的所有點(diǎn)云到模型的距離方式進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)，可以在建立mesh模型過(guò)程中，采用地形濾波的方法，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，消除噪聲點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

圖2　基于Hausdorff Distance算法的變形監(jiān)測(cè)

2實(shí)例及分析

2.1　項(xiàng)目概況

工程為某鐵路車站附近的滑坡體變形監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2014年3月至6月，監(jiān)測(cè)范圍約0.35 km2。采用RIEGL VZ-1000掃描儀進(jìn)行分站式掃描，在監(jiān)測(cè)區(qū)域外相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域埋設(shè)12個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)監(jiān)測(cè)12期數(shù)據(jù)，每期間隔一周。每期監(jiān)測(cè)掃描3站，通過(guò)控制靶標(biāo)進(jìn)行拼接、融合(如圖3所示)。

圖3　掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2　滑坡變形量計(jì)算

對(duì)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地形濾波，消除植被數(shù)據(jù)，獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。利用不同期次的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，用不同的顏色值表示監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形量，并附上顏色對(duì)比表，如圖5所示。

圖4　地形數(shù)據(jù)濾波

圖5　兩期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.3　斷面測(cè)量

在監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)斷面，利用地形濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)搜索斷面點(diǎn)，生成斷面線。通過(guò)不同期次的斷面線疊加，獲取斷面位置處滑坡體變形情況，如圖6所示。

圖6　不同期次的斷面線疊加

3結(jié)論

采用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅測(cè)量精度和監(jiān)測(cè)效率高，可以有效實(shí)現(xiàn)鐵路工程滑坡變形監(jiān)測(cè)，而且更加全面、直觀地反應(yīng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的變形情況。通過(guò)不同期次數(shù)字表面模型的比較來(lái)分析具體的滑坡體變形趨勢(shì)，也為地質(zhì)專家判讀解譯滑坡體形變的誘因提供較好的數(shù)據(jù)模型。

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中圖分類號(hào)：P225

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)02-0011-03

作者簡(jiǎn)介：第一許磊(1983—)，男，2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測(cè)量與遙感專業(yè)，在讀博士研究生，工程師。

收稿日期：2014-12-29