基于三維激光掃描的邊坡變形數(shù)據(jù)提取研究

楊　帆，李龍飛，吳　昊

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

?

基于三維激光掃描的邊坡變形數(shù)據(jù)提取研究

楊帆，李龍飛，吳昊

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

摘要：以北京市門(mén)頭溝區(qū)尾礦邊坡為例，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)尾礦邊坡進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，形成相應(yīng)時(shí)段尾礦邊坡三維模型。采用等高線比較、三維質(zhì)檢軟件比較，提取出邊坡變形數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)使滑坡體測(cè)繪從傳統(tǒng)的GPS或者全站儀單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集變成連續(xù)密集的自動(dòng)獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，增加了測(cè)繪信息量。三維激光掃描技術(shù)不僅提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集速度，且使工作效率實(shí)現(xiàn)大幅度的提高。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云；邊坡；變形監(jiān)測(cè)

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，滑坡是地質(zhì)災(zāi)害中最為常見(jiàn)的一種，關(guān)于邊坡變形監(jiān)測(cè)的研究工作尤為重要，研究成果也直接關(guān)系到國(guó)家的利益。近些年，關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的研究成果很多，三維激光掃描技術(shù)也應(yīng)用于邊坡的變形監(jiān)測(cè)之中。在國(guó)外歐美的掃描儀精度已經(jīng)達(dá)到了微米級(jí)別，而且為真彩色掃描，邊坡信息可以很完整的被表達(dá)出來(lái)。在國(guó)內(nèi)三維激光掃描技術(shù)快速地應(yīng)用于各種工程中，在2008年汶川地震后，三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用于防治地質(zhì)滑坡。2011年三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用于沙丘變形監(jiān)測(cè)，用于防治沙塵預(yù)報(bào)。

邊坡變形監(jiān)測(cè)工作可以分為兩類(lèi)：①點(diǎn)式監(jiān)測(cè)(GPS、全站儀等)；②面式監(jiān)測(cè)(攝影測(cè)量與遙感、Insar、激光掃描測(cè)量等)。點(diǎn)式測(cè)量精度相對(duì)高，但數(shù)據(jù)少，有局限性。面式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，更為全面地反映了邊坡變形，而且自動(dòng)化程度高。相對(duì)于其他傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，地面三維激光掃描技術(shù)更為有效，方便。

1三維激光掃描技術(shù)原理與方法

1.1三維激光掃描儀概況

三維激光掃描儀主要包含4個(gè)系統(tǒng)，其中包括：激光測(cè)距掃描系統(tǒng)、支架系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)、儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)。

三維激光掃描儀的工作過(guò)程與原理：發(fā)射體觸發(fā)發(fā)射激光脈沖，激光脈沖通過(guò)兩塊有序快速旋轉(zhuǎn)的反光鏡，接著按一定次序掃過(guò)目標(biāo)區(qū)域。因?yàn)槿S激光掃描儀有不同的種類(lèi)，所以其工作原理也不盡相同，三維激光掃描儀大體來(lái)說(shuō)有3種：①脈沖測(cè)距法；②相位測(cè)量測(cè)距法；③激光三角測(cè)距法。通過(guò)時(shí)間計(jì)算相關(guān)距離，除此之外編碼器還會(huì)量測(cè)脈沖角度，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得目標(biāo)的坐標(biāo)。

三維激光掃描儀用脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間乘以傳播速度求得目標(biāo)與儀器的距離Sp，然后再根據(jù)時(shí)鐘編碼器在同一時(shí)間測(cè)量出每條脈沖的水平掃描角度φ和豎直掃描角度ω。即可以得到點(diǎn)的三維坐標(biāo)

1.2數(shù)據(jù)處理方法

獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后為得到好的三維模型需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過(guò)程包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和數(shù)據(jù)拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是把不同測(cè)站掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下。點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪是將沒(méi)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去掉保留有用數(shù)據(jù)的過(guò)程，目的是為了生成準(zhǔn)確的三維模型。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接將不同站位的數(shù)據(jù)拼接到一起生成完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程之中，點(diǎn)云拼接最為關(guān)鍵，點(diǎn)云拼接有幾種方式，不同的方式會(huì)影響拼接精度。

2三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過(guò)程及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與建模

2.1準(zhǔn)備工作，選擇合適的掃描儀和必要的工具

所用三維激光掃描儀具體參數(shù)如表1所示。

2.2對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行踏勘

根據(jù)地形條件初步定出設(shè)站位置。此次掃描對(duì)象為門(mén)頭溝一個(gè)尾礦的邊坡，環(huán)境較為復(fù)雜。為保證數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)為了避免數(shù)據(jù)重疊，總共設(shè)6站，每一測(cè)站布設(shè)4～6個(gè)反射片(反射片其中心是直徑為2 mm的特殊材質(zhì)的激光反射點(diǎn))。反射片位置必須穩(wěn)固，不易移動(dòng)。用GPS測(cè)出第一個(gè)測(cè)站每一個(gè)反射片的中心坐標(biāo)。最后對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行高精度掃描。相隔一個(gè)月(第二次掃描前一天有雨)，使用相同的儀器，設(shè)置同樣的精度，用同樣的方法對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行第二次掃描。

表1　Riegl VZ400參數(shù)(來(lái)自Riegl公司)

2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及建模

分別對(duì)第一次掃描過(guò)程和第二次掃描過(guò)程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和數(shù)據(jù)拼接。本實(shí)驗(yàn)所用軟件為Cyclone8.0。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)主要是根據(jù)第一測(cè)站的精準(zhǔn)的大地坐標(biāo)，把幾個(gè)反射片中心坐標(biāo)導(dǎo)入到Cyclone8.0中，使第一測(cè)站是具有大地坐標(biāo)的測(cè)站。數(shù)據(jù)去噪過(guò)程是把非邊坡部分去掉，在實(shí)驗(yàn)中非邊坡部分主要包括電線桿、房子和樹(shù)木，最后用軟件進(jìn)行拼接。根據(jù)在掃描過(guò)程中放置的反射片的中心進(jìn)行點(diǎn)云的拼接。拼接過(guò)程中必須保證每?jī)蓚€(gè)測(cè)站有3個(gè)以上的公共點(diǎn)。拼接的誤差可以在Cyclone中的registration窗口中可以查詢(xún)到，若registration窗口中誤差較大要及時(shí)調(diào)整拼接公共點(diǎn)，若registration窗口中誤差較小但拼接效果不好，此時(shí)需要重新設(shè)置反射片位置，保證最少有3個(gè)反射片構(gòu)成的空間三角形面積適中，空間三角形面積過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響到拼接結(jié)果。另外拼接過(guò)程中，需要盡量使每?jī)蓚€(gè)測(cè)站都有公共的反射片，這樣拼接數(shù)據(jù)量就會(huì)變大，約束條件也會(huì)多。最終拼接結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1　第一次掃描結(jié)果

圖2　第二次掃描結(jié)果

3邊坡變形信息提取

3.1提取兩次掃描的等高線數(shù)據(jù)

本文將掃描點(diǎn)云去噪，然后在cyclone軟件中

進(jìn)行抽稀，抽稀的目的是為降低運(yùn)算量，接著把點(diǎn)云生成mesh，最終用根據(jù)三維mesh模型進(jìn)行插值運(yùn)算，找到高程相同的點(diǎn)，連線生成等高線。點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大可以很完全地表達(dá)邊坡的表面特征，而傳統(tǒng)等高線生成所利用的數(shù)據(jù)較少，三角網(wǎng)插值誤差較大，一些邊坡的信息并不能由傳統(tǒng)等高線來(lái)表達(dá)出來(lái)。利用點(diǎn)云等高線生成方法相對(duì)傳統(tǒng)等高線生成方法精度大幅度提高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中經(jīng)過(guò)抽稀得到的數(shù)據(jù)，點(diǎn)平均間距0.5 m，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)點(diǎn)云生成的等高線密度很高，如圖3、圖4所示。可以很精細(xì)地表達(dá)地形特點(diǎn)、地質(zhì)的構(gòu)造形態(tài)和斷層發(fā)育情況及其在空間的延伸變化規(guī)律。高密度的等高線是分析、判斷、預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及規(guī)律，編制地質(zhì)剖面圖的基礎(chǔ)材料。

3.2用三維質(zhì)檢軟件提取變形信息

為了更為直觀地得到邊坡的變形信息，實(shí)驗(yàn)使用了Geomagic Qualify軟件，十分直觀地對(duì)兩個(gè)三維模型進(jìn)行了對(duì)比。以第一次掃描模型當(dāng)成參考對(duì)象，第二次掃描當(dāng)成結(jié)果對(duì)象。用不同的顏色代表不同的變形值，正值代表增大，負(fù)值代表減小，如圖5所示。

圖3　第一次掃描等高線

圖4　第二次掃描等高線

圖5　由qualify產(chǎn)生的邊坡變形信息

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于三維激光掃描技術(shù)的從點(diǎn)云信息中提取邊坡變形信息的理論與方法。應(yīng)用點(diǎn)云處理軟件cyclone對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行了處理與封模，并且生成了高密度的等高線。應(yīng)用三維質(zhì)檢軟件geomagic qualify對(duì)變形信息進(jìn)行了三維可視化的提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測(cè)的巨大優(yōu)勢(shì)。目前三維激光掃描技術(shù)還處于一個(gè)發(fā)展階段，有很多問(wèn)題需要去解決，但是越來(lái)越多的事實(shí)證明三維激光掃描技術(shù)的前景會(huì)越來(lái)越寬廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小平，閆麗麗，劉文龍.三維激光掃描技術(shù)邊坡監(jiān)測(cè)研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2010,35(4):25-27.

[2]楊帆，董景利，薛偉，等.三維激光掃描技術(shù)及其相關(guān)軟件在建模方面的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪，2012，28(3)：21-23.

[3]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(cè)[J].地理空間信息，2011，9(1)：68-70.

[4]李建輝，王琴.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于滑坡體地形可視化的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(10)：51-54.

[5]張慶圓，孫德鴻，朱本璋，等.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于沙丘監(jiān)測(cè)的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2011(4)：32-34.

[6]黃姍，薛勇，蔣濤.三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)滑坡中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(1)：100-101.

[7]徐源強(qiáng)，高井祥，張麗，等.地面三維激光掃描的點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2011，31(2)：129-132.

[8]SCOTT M A.Ultra-rapid 2-D and 3-D laser microprinting of proteins[D].Massachusetts Institute of Technology，2013.

[9]COVIELLO V，CHIARLE M，ARATTANO M，et al.Monitoring rock wall temperatures and microseismic activity for slope stability investigation at JA Carrel hut，Matterhorn[M]//Engineering Geology for Society and Territory-Volume 1.Springer International Publishing，2015:305-309.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.001

收稿日期：2015-06-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50604009)；遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”人選資助項(xiàng)目(2010921099)

作者簡(jiǎn)介：楊帆( 1972-)，男，教授，博士.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP751

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)10-0001-04

Research on the data extraction method of slope deformation monitoring based on 3D laser scanning technology

YANG Fan，LI Longfei，WU Hao

(Schhol of Mapping and Geographic Sciences,Liaoning Technical Universit，F(xiàn)uxin 123000，China)

Abstract：This paper takes the tailings slope of Mentougou District of Beijing City as an example，and studies the tailing slope by using 3D laser scanning technology.By processing the point cloud data of different time，the 3D model of the tailings slope is formed.The deformation data of the slope is extracted by comparison of the contour and 3D quality software.3D laser scanning technology makes the landslide mapping turn from the single point data of traditional GPS or total station instrument data acquisition into automatic acquisition of intensive data,which can increase the amounts of information in surveying and mapping.The 3D laser scanning technology not only improves the precision and speed，also the work efficiency is greatly improved.

Key words：3D laser scanning technology;point cloud;slope;deformation monitoring