三維激光掃描技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

宋禮德（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400060）

三維激光掃描技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

宋禮德（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400060）

三維激光掃描技術(shù)以其快速、精確、非觸主動測量等優(yōu)勢，針對此，提出利用三維激光掃描來對邊坡的滑坡情況進(jìn)行監(jiān)測，為了提高滑坡監(jiān)測的精度和可靠性。本文簡要介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，闡述了其在公路邊坡監(jiān)測中的具體應(yīng)用。

三維激光掃描技術(shù)；公路邊坡；監(jiān)測

1 引言

傳統(tǒng)的測繪方式存在著“以點(diǎn)帶面”的局限性，影響著數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)克服了傳統(tǒng)測量的局限性。它不僅能夠量取被測對象的長寬高，還能夠?qū)ο筮M(jìn)行無接觸掃描，可以將所掃描到的空間信息快速轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。公路邊坡監(jiān)測是一種重要的工作，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量方式的弊端，提升測量的科學(xué)性和有效性。

2 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，實(shí)質(zhì)上是一種新型的測量模式。作為一種技術(shù)性手段，主要采用激光掃描的方法對目標(biāo)物體進(jìn)行測量，獲取物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合空間點(diǎn)位信息，建立物體的三維影像模型。三維激光掃描儀工作原理為借助測距系統(tǒng)獲得每個(gè)掃描點(diǎn)和掃描儀之間的距離數(shù)值，并使用精密時(shí)鐘控制編碼器測角系統(tǒng)獲得每個(gè)激光束相對一起坐標(biāo)系的水平角α以及垂直角（圖1）。按照公式（1）計(jì)算出每個(gè)掃描電和掃描儀空間相對三維坐標(biāo)數(shù)值，分別標(biāo)記為Xp、Yp、Zp，在掃描過程中可以通過自身的垂直以及水平馬達(dá)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理示意圖

3 三維激光掃描技術(shù)在邊坡測量中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀由于受視場角限制，為獲取整個(gè)物體表面的數(shù)據(jù)，需要從不同視角進(jìn)行多次掃描，完成各掃描站之間的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。在掃描中，為了獲取點(diǎn)云精確空間位置信息，應(yīng)將三維激光掃描儀的攝站位置安置在三等導(dǎo)線點(diǎn)及二級三角點(diǎn)上，選擇遠(yuǎn)距離三等導(dǎo)線點(diǎn)作為后視點(diǎn)，對公路邊坡表面進(jìn)行360°全方位掃描，使用隨機(jī)控制器記錄掃描數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀的掃描距離是影響掃描精度的關(guān)鍵因素。盡管掃描距離的增加可以增大掃描范圍，減少設(shè)站次數(shù)，然而采集的數(shù)據(jù)精度也隨著距離的增加而遞減。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在三維數(shù)據(jù)處理過程中，數(shù)據(jù)去噪較為重要。因?yàn)榧す鈷呙鑳x自身具有一定的局限性，且在掃描過程中會受到外界環(huán)境的影響，掃描目標(biāo)會得到阻擋以及遮掩，生成的數(shù)據(jù)通常會有大量的噪聲點(diǎn)，其會對數(shù)據(jù)的后期處理造成較大影響，同時(shí)也會降低變形監(jiān)測的精度，這也就增加了變形探測的難度。所以為了獲取目標(biāo)物體信息的最佳值，需要對掃描獲得的原始數(shù)據(jù)中的干擾地物進(jìn)行處理，避免其對于后期的粗差剔除造成影響。在剔除噪音數(shù)據(jù)后需要進(jìn)行深化處理，排除帶有粗差數(shù)據(jù)信息以及無效的形體信息。

3.3 邊坡位移監(jiān)測成果報(bào)告

3.3.1 邊坡位移預(yù)警

可以使用三維激光掃描技術(shù)對邊坡進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防滑坡、泥石流災(zāi)害的發(fā)生。通過三維成像可以清晰看見土坡的前后變化，作為地質(zhì)工作人員，需要對地質(zhì)三維視圖的變化以及土坡的安全穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析和評價(jià)，若出現(xiàn)較大位移則需要立即撤離，并停止道路通行。

3.3.2 監(jiān)測頻率

項(xiàng)目監(jiān)測頻率會受到外部環(huán)境的影響，如地段的危險(xiǎn)性和氣候條件。在雨季中需要增加監(jiān)測的次數(shù)，通常來說一個(gè)季度監(jiān)測次數(shù)定位1較為合理，對于雨季則需要一個(gè)月監(jiān)測1次。若發(fā)生暴雨，在條件允許的情況下需要跟蹤觀測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，并及時(shí)安排人員撤離，維護(hù)人民的生命安全。

3.3.3 監(jiān)測精度

三維激光掃描技術(shù)具有精確度高的特點(diǎn)，因此，在測量過程中，要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，降低誤差的發(fā)生率。在測量中，三維激光掃描技術(shù)的誤差有具體的規(guī)定。①測量過程中，控制點(diǎn)的測量誤差范圍為±2mm；②點(diǎn)云拼接精度為±1mm；③數(shù)據(jù)處理比較過程中，線、面各自的比較時(shí)，點(diǎn)云擬合精度為± 1mm；④測量過程中，不可避免的會受到人為或天氣的影響，總體的誤差范圍為＜6mm。總之，在檢測、處理數(shù)據(jù)時(shí)，要嚴(yán)格按照規(guī)范操作，盡可能的利用相同的作業(yè)條件、減少通車及噪音數(shù)據(jù)的影響，提升監(jiān)測的精度。

4 實(shí)例分析

本文采用Riegl-VZ400掃描儀對某公路邊坡進(jìn)行兩期掃描，第一期掃描是在2015年10月，第二期是在2015年12月，掃描儀的位置位于邊坡體的對面，掃描平均距離為40m，為了估計(jì)所計(jì)算變形提取閾值的可靠性，在邊坡沒有發(fā)生滑坡的情況下對其進(jìn)行兩次重復(fù)掃描，并利用塊狀物體在邊坡體上模擬一處滑坡，該物體的厚度為0.05m，掃描過程中設(shè)置的掃描間隔為8mm。根據(jù)Riegl-VZ400掃描儀技術(shù)參數(shù)，計(jì)算變形提取的閾值為0.0136m。利用第3節(jié)變形提取方法對沒有發(fā)生滑坡的邊坡體進(jìn)行分析，提取的邊坡點(diǎn)位限差分布。邊坡在沒有發(fā)生滑坡的情況下，點(diǎn)云點(diǎn)位誤差主要集中在[0，0.014]m之間，最大限差為0.014m。在連個(gè)月之后對該邊坡進(jìn)行了二次掃描，在本次掃描前受到了雨水的侵蝕，尤其是在2015年10中下旬有兩次暴雨，對邊坡造成了較大損壞，在11月中旬又經(jīng)歷過小雨的侵蝕，最終導(dǎo)致邊坡沖蝕以及邊坡滑坡的發(fā)生。根據(jù)該邊坡體的滑坡實(shí)際情況來看，邊坡的變形分布具體如圖2所示。由圖2可知，計(jì)算出的最大變形量為0．3839m，圖中橢圓形區(qū)域是邊坡體發(fā)生的主要滑坡區(qū)域，其中白色箭頭為滑坡發(fā)生方向，矩形區(qū)域是模擬的滑坡區(qū)域，依據(jù)右邊的變形值柱狀圖可知，模擬變形主要集中在0.036m周邊，實(shí)際發(fā)生的滑坡值為0.05m，造成這一問題的主要原因是點(diǎn)云自身有0.014m的限差誤差。該滑坡體共有4處，主要原因?yàn)橛晁疀_蝕，與此同時(shí)由圖2中的橢圓形以及圓形滑坡區(qū)域可知，可以使用滑坡提取法對滑坡的發(fā)生位置以及發(fā)生區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，并且明確滑坡的體積以及方向。

5 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動了三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用。在公路邊坡監(jiān)測中，采用三維激光掃描技術(shù)，通過對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理，分析邊坡的位移情況和趨勢。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)不需接觸測量，不需事先埋藏檢測設(shè)備，降低工作人員的工作量和危險(xiǎn)系數(shù)，提升監(jiān)測的速度和精確度。因此，三維激光掃描技術(shù)具有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢應(yīng)用前景廣闊。

[1]邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡位移監(jiān)測[J].地理空

圖2 提取的滑坡變形區(qū)域

間信息，2011，09（1）：68～70.

[2]李 健，胡書橋，鄧增兵.基于綜合改進(jìn)ICP算法的三維激光掃描技術(shù)在露天礦邊坡測繪中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，40（1）：51～54.

[3]藍(lán)紫堅(jiān).三維激光掃描技術(shù)在邊坡災(zāi)害治理工程中的應(yīng)用[J].廣東科技，2010，19（4）：91～92.

U416.14

A

2095-2066（2016）36-0230-02

2016-11-8

宋禮德（1971-），男，高級工程師，本科，主要從事高速公路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)管理及勘測新技術(shù)應(yīng)用研究工作。