基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的水利工程邊坡位移監(jiān)測(cè)研究

摘 要：水利水電工程邊坡除經(jīng)受地震和降水等自然力作用外，還要經(jīng)受水工建筑物、庫水、泄洪霧化水等工程作用。工作狀況、作用機(jī)制及作用效應(yīng)都較復(fù)雜，加之超高工程的邊坡治理工作經(jīng)驗(yàn)也不多，導(dǎo)致穩(wěn)定控制的難度很大。文章研究的是將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡位移監(jiān)測(cè)，并利用其配套的cyclone數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到結(jié)果。對(duì)某壩邊坡進(jìn)行位移變形監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)來掌握崩塌、滑坡的變形特征及規(guī)律，使邊坡的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究向著自動(dòng)化、智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，為邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、防治工程設(shè)計(jì)和滑坡治理提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水利工程；三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；邊坡；位移監(jiān)測(cè)

引言

近十年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和對(duì)清潔能源強(qiáng)大需求，西南地區(qū)水能開發(fā)呈現(xiàn)加速的勢(shì)頭，一批大型水電工程相繼開工建設(shè)[1]。然而，水能資源豐富的西南地區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，該地區(qū)河谷呈V字形，谷坡陡峻，巖體卸荷強(qiáng)烈，地震烈度高，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，岸坡穩(wěn)定性差；水電工程規(guī)模巨大，各類工程建筑物因布置需要，不可避免地實(shí)施開挖形成大量邊坡工程，對(duì)于200至300m級(jí)的高壩工程，一般人工開挖邊坡將達(dá)到300至500m，開挖邊坡上部還可能存在數(shù)百米至千余米自然邊坡，工程邊坡穩(wěn)定問題十分突出。因此，邊坡穩(wěn)定控制成為水電工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，影響和制約著水力資源開發(fā)和水電工程建設(shè)[2]。

三維激光掃描儀有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）攜帶方便，操作簡(jiǎn)便。大小體積與全站儀相仿，配合三角支架即可進(jìn)行工作。工作所需空間小，適用于高山峽谷、地勢(shì)險(xiǎn)要的工程項(xiàng)目。又由于其自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，也可遠(yuǎn)程控制，所以適用于惡劣天氣的采集工作。（2）采集速度快，掃描范圍大。通常的地面掃描儀的掃描速度可達(dá)每秒數(shù)千點(diǎn)以上，某些型號(hào)的可達(dá)每秒數(shù)十萬，完全可以做到隨施工進(jìn)度進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，一般三維激光掃描儀均可達(dá)到全景掃描，所以特別適合大型工程測(cè)量。（3）掃描精度高。大都可達(dá)毫米級(jí)，足以滿足工程測(cè)量需要[3]。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

作為三維激光掃描技術(shù)的載體，三維激光掃描儀并不復(fù)雜，通常一臺(tái)激光測(cè)距系統(tǒng)、一組反射棱鏡、水平方位偏轉(zhuǎn)控制器、高度角偏轉(zhuǎn)控制器、數(shù)據(jù)輸出處理器構(gòu)成了三維激光掃描儀，可以直接獲得目標(biāo)物的影像[7]。完成對(duì)物體的全方位掃描是通過儀器自身的傳動(dòng)裝置進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的，并通過自身的傳感器及記錄裝置完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的讀取及存儲(chǔ)。其工作模式是通過儀器內(nèi)部的激光脈沖二級(jí)管發(fā)射的脈沖激光，按照從左到右、先上后下的順序射向被測(cè)物體，并接收被測(cè)物體反射回來的部分激光。儀器可以根據(jù)反射回來的部分激光信息賦給被測(cè)物體RGB信息，以便于區(qū)分不同的物體，同時(shí)記錄脈沖激光從發(fā)出到返回接收所經(jīng)歷的時(shí)間，這樣便可以計(jì)算出儀器原點(diǎn)到物體間的距離S，然后利用儀器記錄的激光束在水平方向與X軸的夾角？琢和激光束在豎直方向與水平面的夾角？茲，根據(jù)公式（1）便可以計(jì)算出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)。不過此時(shí)所求的坐標(biāo)是在三維激光掃描系統(tǒng)自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)里。

（1）

1.2 點(diǎn)云獲取

地面三維激光掃描儀是按照線方式采集數(shù)據(jù)的，掃描時(shí)采用逐行的方式來獲取空間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，掃描得到的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一種矩陣形式，每個(gè)矩陣單元的值為獲取的目標(biāo)物表面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于空間點(diǎn)的坐標(biāo)反映了視點(diǎn)與控制點(diǎn)的距離。因此，掃描所得到的圖像稱為深度圖像。圖2為掃描獲取數(shù)據(jù)的示意圖。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)能夠在幾秒內(nèi)獲取目標(biāo)物體成千上萬個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，而高邊坡開挖施工場(chǎng)地大，作業(yè)人員、施工機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械較多，難免會(huì)對(duì)目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生遮擋。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)由于爆破、刮風(fēng)等因素，引起灰塵較大，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集工作產(chǎn)生一定的影響。所以要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪除不屬于目標(biāo)物體的形態(tài)表征點(diǎn)，降低誤差干擾點(diǎn)的影響，壓縮數(shù)據(jù)使用量等等。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)降噪。

2.1 數(shù)據(jù)處理

（1）激光點(diǎn)云生成。將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線或無線等方式導(dǎo)入工作電腦中，利用萊卡自帶軟件cyclone進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)為數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。（2）選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)域。進(jìn)行掃描所得到的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，并且數(shù)據(jù)里面還存在一些無關(guān)的點(diǎn)云，這樣就大大增加了點(diǎn)云的數(shù)量。所以要將這些無關(guān)的點(diǎn)進(jìn)行刪除，以減小數(shù)據(jù)的運(yùn)算量。本次無關(guān)點(diǎn)的刪除是采用cyclone軟件的刪除功能進(jìn)行的，并對(duì)每個(gè)掃描區(qū)域建立圖層，為后期數(shù)據(jù)處理提供便利。（3）識(shí)別標(biāo)靶并進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接。在野外掃描時(shí)，一般為達(dá)到掃描數(shù)據(jù)完整的要求，往往設(shè)置幾個(gè)測(cè)站，同時(shí)每?jī)蓚€(gè)站之間都要設(shè)置三個(gè)以上的標(biāo)靶，并保證標(biāo)靶不在同一條直線上，掃描每站時(shí)要確定能掃到每個(gè)標(biāo)靶，為數(shù)據(jù)拼接做準(zhǔn)備。利用萊卡自帶軟件cyclone進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接一般有三種方法：基于標(biāo)靶的拼接、基于點(diǎn)云的拼接、基于已知點(diǎn)的拼接。根據(jù)不同的工作環(huán)境可以選擇不同的數(shù)據(jù)拼接方法。（4）冗余數(shù)據(jù)的處理。拼接所得到的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于存在數(shù)據(jù)重合的現(xiàn)象，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，相當(dāng)于進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮。并且在目標(biāo)點(diǎn)云周邊會(huì)存在一些噪聲點(diǎn)，要利用Geomagic軟件或其他軟件刪除無用孤點(diǎn)，確保只留下目標(biāo)的掃描點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性。（5）多邊形化點(diǎn)云及修補(bǔ)模型。將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面建模，形成一個(gè)近似原目標(biāo)的外觀模型。由于掃描或數(shù)據(jù)壓縮過程中可能存在數(shù)據(jù)的缺失，使得模型的部分區(qū)域精度不高，從而得到的模型也有缺陷，所以要對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)。（6）數(shù)據(jù)讀取。模型建立以后可以對(duì)其進(jìn)行距離的量測(cè)、體積的計(jì)算以及特征線的簡(jiǎn)單提取，并且可以與原點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析模型的質(zhì)量。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪濾波

一般情況下，針對(duì)噪聲產(chǎn)生的不同原因，采用相應(yīng)的方法，達(dá)到消除噪聲的目的。對(duì)一般的噪聲，從調(diào)整掃描和掃描物之間的距離來解決；對(duì)系統(tǒng)固有的噪聲可以通過調(diào)整掃描的參數(shù)或利用一些平滑或?yàn)V波的方法過濾掉。

文章利用有序點(diǎn)云濾波方式進(jìn)行去噪。高斯濾波、中值濾波或是均值濾波是幾種經(jīng)典的平滑濾波方法。其濾波窗口和效果如圖3所示。

3 安全監(jiān)測(cè)模型

邊坡是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，影響邊坡穩(wěn)定的因素相對(duì)較多，將預(yù)處理及除噪了的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到cyclone軟件中，利用modeling模塊進(jìn)行三維重建。對(duì)每一期的掃描數(shù)據(jù)都進(jìn)行以上濾波、去噪、拼接、三維重建處理，然后將每一個(gè)時(shí)期的模型結(jié)果直接進(jìn)行疊加，利用模塊的監(jiān)測(cè)功能，對(duì)不同時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別進(jìn)行分析，對(duì)誤差圖用不同的顏色進(jìn)行分類，從來得出邊坡的變形趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

三維激光掃描系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全實(shí)用，監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯易懂。因此，非常適合使用在水電工程的邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。同時(shí)它能夠快速、全面、海量的獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完整高精度的重建被測(cè)實(shí)體。采用非接觸的數(shù)據(jù)采集方式，能夠遠(yuǎn)距離、安全地開展工作任務(wù)。其數(shù)字自動(dòng)化操作平臺(tái)可以節(jié)省大量的人力物力，使資源利用率更高。三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展也推動(dòng)著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，其可以對(duì)任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則的、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或場(chǎng)景的三維數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行各種后處理工作，為邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、防治工程設(shè)計(jì)和滑坡治理提供決策依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：龍志（1989-），男，碩士研究生，研究方向：水利工程。