應(yīng)用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定邊坡特征對(duì)象區(qū)域和形變分析

李崇瑞，張　錦，肖　杰

（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.山西省測繪工程院，山西太原030024）

應(yīng)用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定邊坡特征對(duì)象區(qū)域和形變分析

李崇瑞1，2，張錦1，肖杰2

（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.山西省測繪工程院，山西太原030024）

針對(duì)目前主要形變監(jiān)測方法監(jiān)測點(diǎn)少、整體形變資料缺乏的不足，利用三維激光掃描儀獲取邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)邊坡特征對(duì)象區(qū)域識(shí)別，利用重心法計(jì)算特征對(duì)象區(qū)域的形變量大小，將形變特征對(duì)象區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)測點(diǎn)，并分析形變特征對(duì)象區(qū)域的變形情況，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)形變監(jiān)測手段在邊坡監(jiān)測應(yīng)用和形變分析中的不足。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)；地面三維激光掃描儀；邊坡特征對(duì)象區(qū)域；形變分析

礦區(qū)地面災(zāi)害直接影響企業(yè)正常生產(chǎn)，常見的礦區(qū)地面災(zāi)害有采空區(qū)地面裂縫、沉降、塌陷及邊坡滑坡等，對(duì)礦山邊邦，上述災(zāi)害通常呈小范圍區(qū)域而非整體發(fā)生。常見的地表形變監(jiān)測方法主要有:①采用GPS和測量機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)測，此類方法監(jiān)測精度較高且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)觀測，屬于單點(diǎn)式測量，由于監(jiān)測點(diǎn)位置較分散，因此獲取形變范圍有限；②采用大地測量法建立形變監(jiān)測網(wǎng)，通過邊角網(wǎng)觀測進(jìn)行監(jiān)測，這種方法監(jiān)控范圍不受限制，可測定出邊坡的變形范圍，但工作量大、周期長，易受通視條件和天氣狀況的影響；③D-INSAR技術(shù)可以獲取大范圍的邊坡形變情況，其監(jiān)測精度可達(dá)毫米級(jí)，但星載SAR系統(tǒng)重訪時(shí)間長，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測區(qū)域的定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測；④近景攝影測量法外業(yè)省時(shí)省力，能同時(shí)獲取許多觀測點(diǎn)的空間位置，但作為監(jiān)測手段精度過低。此外，對(duì)于邊坡形變區(qū)域的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測仍需配合人工巡查的方式，但對(duì)于滑動(dòng)速率較慢的區(qū)域難以發(fā)覺［1-6］。

近年來，地面三維激光掃描儀（terrestrial 3D laser scanner，TLS）在邊坡形變監(jiān)測與形變分析領(lǐng)域得到了應(yīng)用［6-9］。作為一種輔助技術(shù)手段，TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)為邊坡形變分析提供了新型的數(shù)據(jù)資料，可以實(shí)現(xiàn)坡體快速數(shù)字化，建立坡體表面三維模型，實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)景復(fù)制，可準(zhǔn)確識(shí)別邊坡特征對(duì)象區(qū)域，確定其位置、范圍及形變量大小等，能夠真實(shí)、詳盡地描繪邊坡的整體及細(xì)節(jié)處的變形情況［10-13］，大大提高和完善了形變監(jiān)測系統(tǒng)的形變分析能力。

本文以TLS在某一露天礦區(qū)邊坡形變分析中的應(yīng)用為例，對(duì)利用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)來確定邊坡形變特征對(duì)象區(qū)域和形變分析方法進(jìn)行深入研究。

一、TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取和處理

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的野外獲取需將掃描儀架設(shè)在邊坡體對(duì)面、與其高度基本平行、遮擋少、能夠全面通透掃描的位置，與掃描對(duì)象距離分布均勻。測站架設(shè)完成之后，需對(duì)儀器進(jìn)行整平并設(shè)置掃描范圍、點(diǎn)云密度等相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊開始后掃描儀即可自動(dòng)采集數(shù)據(jù)［14-15］。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

當(dāng)外業(yè)獲取三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需用專業(yè)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［7-8］，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)解壓縮或格式轉(zhuǎn)換

掃描儀在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中為了節(jié)省存儲(chǔ)空間對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，或掃描儀直接生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件格式不能被數(shù)據(jù)處理軟件識(shí)別，因此，在后期處理前需首先對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解壓縮，或?qū)呙栉募D(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理軟件能夠識(shí)別的文件格式。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲處理

由于觀測環(huán)境和掃描對(duì)象本身的反射特性不均勻等原因，會(huì)使點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在一定量的噪聲數(shù)據(jù)。為了減小噪聲對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，提供高精度的建模數(shù)據(jù)。

圖1　點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與拼接處理

由于掃描儀每次掃描范圍有限，對(duì)大面積的邊坡需分塊進(jìn)行掃描，則相鄰測站掃描的影像應(yīng)具有一定的重疊度，需根據(jù)重疊區(qū)域的特征標(biāo)志進(jìn)行配準(zhǔn)，將多幅影像拼接成一個(gè)整體。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在自身儀器坐標(biāo)系下的空間三維位置信息，多期邊坡點(diǎn)云形變的計(jì)算和分析需要建立在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)之下，因此需將其轉(zhuǎn)化到工程項(xiàng)目局部坐標(biāo)系中。

首先在測區(qū)穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)，同時(shí)獲取掃描儀坐標(biāo)系下坐標(biāo)和項(xiàng)目工程局部坐標(biāo)系下坐標(biāo)，然后計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到局部坐標(biāo)系下。

二、邊坡特征對(duì)象區(qū)域確定和形變分析方法

1.邊坡特征對(duì)象區(qū)域確定方法

為獲取邊坡形變信息，需根據(jù)掃描數(shù)據(jù)對(duì)邊坡上可識(shí)別的特征對(duì)象區(qū)域進(jìn)行分析。由于三維激光掃描儀掃描測量采用的是無合作目標(biāo)的測量方式，每次掃描的激光腳點(diǎn)都不會(huì)重合，因此不能將兩期掃描獲取所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)來計(jì)算形變量。

一般情況下發(fā)生形變的特征對(duì)象是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的個(gè)體，如一塊巖石或一個(gè)人工制作的標(biāo)志牌等，它們各自是一個(gè)整體，其內(nèi)部處于一個(gè)平衡態(tài)，位移是整體性的位移，因此特征對(duì)象的選取可以選取邊坡上的相對(duì)獨(dú)立地物；而對(duì)于無明顯特征且有蠕滑現(xiàn)象或發(fā)生滑坡災(zāi)害的小范圍區(qū)域，也可將其視為特征對(duì)象區(qū)域進(jìn)行分析。為了更加精確地在整個(gè)邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)中確定邊坡特征對(duì)象區(qū)域的邊界，需首先進(jìn)行如下工作:

1）點(diǎn)云附加紋理。由于每個(gè)掃描點(diǎn)都含有三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度和顏色等信息，通過圖像配準(zhǔn)技術(shù)，將掃描儀CCD攝像機(jī)所攝照片的顏色信息匹配到點(diǎn)云上，構(gòu)成能夠顯示邊坡實(shí)景的點(diǎn)云模型。

2）構(gòu)建TIN模型。利用附加紋理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN模型以模擬不規(guī)則曲面。

在附加紋理后的邊坡實(shí)景模型中，即可很容易分辨出點(diǎn)云中的地物，如邊坡中的巖石塊，或人工設(shè)立的標(biāo)志物等，由于這些特征地物是邊坡體的組成部分，因此可將其定義為邊坡部件，通過對(duì)這些部件變形情況的分析去了解邊坡的整體變形情況。

2.邊坡位移分析方法

通過對(duì)三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可有效提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，為進(jìn)一步的形變分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征，可從以下兩方面來分析邊坡的變形情況。

（1）邊坡部件位移分析

要使多期觀測數(shù)據(jù)之間具有可比性，需保證有穩(wěn)定的觀測基準(zhǔn)，每一期部件邊界所包含的點(diǎn)數(shù)量穩(wěn)定，因此應(yīng)每次在相同的觀測環(huán)境下觀測，掃描儀采樣率、掃描密度等參數(shù)需保持一致。

由于所選的邊坡巖石部件是一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體，因此可將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，將部件位移轉(zhuǎn)換為監(jiān)測點(diǎn)位移。根據(jù)所選部件邊界確定部件所包含的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此稱其為部件點(diǎn)云。由于部件點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一系列點(diǎn)的三維坐標(biāo)的集合，因此可取這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)平均值作為部件的重心坐標(biāo)，此重心坐標(biāo)的變化即可視作部件的位移。通過對(duì)這些特征部件的多期觀測，即可了解和發(fā)現(xiàn)邊坡細(xì)節(jié)處的變形規(guī)律，為決策支持提供可靠依據(jù)。

（2）邊坡形變區(qū)域位移分析

邊坡上除了易發(fā)生位移的特征對(duì)象外，無明顯特征的小范圍區(qū)域還存在蠕滑現(xiàn)象或發(fā)生滑坡災(zāi)害，通過對(duì)這些形變區(qū)域進(jìn)行格網(wǎng)劃分，并分析格網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以此來發(fā)現(xiàn)邊坡形變區(qū)域的形變情況。

邊坡形變區(qū)域的確定方法主要是以第一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)邊坡模型作為參考，將第二期的激光腳點(diǎn)投影到參考模型表面，通過計(jì)算分析激光腳點(diǎn)到投影點(diǎn)的距離，將不同投影距離點(diǎn)云范圍用不同顏色表示，選擇投影距離較大的范圍作為特征區(qū)域。

格網(wǎng)的劃分方法是特征區(qū)域形變分析方法的重點(diǎn)，常見的小范圍格網(wǎng)劃分方法有規(guī)則格網(wǎng)劃分和任意格網(wǎng)劃分等。規(guī)則格網(wǎng)劃分方法較簡單，通常有方格網(wǎng)、矩形網(wǎng)等；任意格網(wǎng)劃分較規(guī)則網(wǎng)劃分更加靈活，可以根據(jù)邊坡地物地形情況進(jìn)行劃分，劃分的格網(wǎng)可以是任意形狀、任意大小。

格網(wǎng)劃分完成后，將每一個(gè)格網(wǎng)視作一個(gè)部件點(diǎn)云，同邊坡部件位移分析方法相似，對(duì)格網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算其重心坐標(biāo)，通過多期觀測計(jì)算、比較格網(wǎng)重心坐標(biāo)的變化，后續(xù)可對(duì)變形量進(jìn)行等級(jí)劃分以發(fā)現(xiàn)邊坡中形變較劇烈需重點(diǎn)監(jiān)測的區(qū)域，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域可以加設(shè)棱角監(jiān)測點(diǎn)，采用全站儀或GPS等高精度測量設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)測。

三、實(shí)例分析

下面以某礦區(qū)邊坡為例，如圖2所示。該邊坡主要由露天開采的排土堆砌形成，邊坡整體長約1200 m，分6個(gè)平臺(tái)，生產(chǎn)設(shè)備上方3個(gè)平臺(tái)采取了加固措施，其余大部分為裸露的半荒土地。井工礦巷道口位于邊坡底部，部分采煤工作區(qū)位于該邊坡下方，地面上方邊坡的穩(wěn)定性直接關(guān)系到井下煤炭生產(chǎn)安全。

圖2　邊坡概況圖

邊坡各平臺(tái)布設(shè)測量機(jī)器人監(jiān)測棱鏡、GPS、應(yīng)力傳感器等設(shè)備對(duì)其進(jìn)行形變監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)位約100余個(gè)。邊坡主要監(jiān)測對(duì)象是每平臺(tái)邊緣區(qū)域，該邊坡范圍廣、形變區(qū)域分布零散，其中部分部件如較大石塊、排水渠、電桿難以固定監(jiān)測傳感器，因雨水沖刷形成的滑塌區(qū)、蠕滑區(qū)、建筑物沉陷等區(qū)域監(jiān)測設(shè)備損毀嚴(yán)重，無法達(dá)到連續(xù)監(jiān)測的目的。

現(xiàn)使用加拿大OPTECH公司的地面三維激光掃描儀ILRIS-36D對(duì)邊坡進(jìn)行掃描獲取邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描儀采樣率為3000點(diǎn)/s，設(shè)置掃描密度為4 cm。為了獲取邊坡部件形變信息，相鄰兩期觀測數(shù)據(jù)間隔時(shí)長為1個(gè)月，由于邊坡寬度較寬，每一期掃描均將邊坡劃分為6塊區(qū)域分別掃描，重疊度為30%。

（1）某礦區(qū)邊坡特征對(duì)象區(qū)域確定

將外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過噪聲處理、配準(zhǔn)和拼接后，即可進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模和附加紋理。圖3為給某邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)其顏色信息附加紋理，并根據(jù)邊坡特征點(diǎn)，將附加紋理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)際影像進(jìn)行配準(zhǔn)。圖中數(shù)字和字母表示影像和點(diǎn)云配準(zhǔn)所選擇的特征點(diǎn)。通過目標(biāo)識(shí)別，選取邊坡中的巖石特征對(duì)象區(qū)域作為邊坡形變分析的特征對(duì)象部件，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上選定一小片滑塌區(qū)域A及兩處巖石塊B和C。

圖3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)附加紋理

（2）某礦區(qū)邊坡部件位移分析

圖4為放大后的特征對(duì)象C的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)選擇的特征對(duì)象B和C的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算各部件的重心坐標(biāo)見表1，表中列出了部件B和C相鄰兩期重心坐標(biāo)及其變化值。從表中可以看出，特征對(duì)象B和C均未發(fā)生較大的形變位移。

圖4　特征區(qū)域選擇

圖5是對(duì)特征區(qū)域A用方格網(wǎng)進(jìn)行格網(wǎng)劃分的示意圖。

選擇形變區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云格網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算格網(wǎng)內(nèi)激光腳點(diǎn)的重心位置，比較兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)格網(wǎng)內(nèi)的重心位置變化情況見表2。

表1　監(jiān)測部件形變量　m

圖5　邊坡形變區(qū)域格網(wǎng)劃分

表2　特征區(qū)域格網(wǎng)形變量　m

四、結(jié) 論

本文研究結(jié)果表明，利用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)邊坡特征對(duì)象進(jìn)行識(shí)別和特征區(qū)域格網(wǎng)劃分，采用重心法計(jì)算部件形變量大小，將部件點(diǎn)云轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)測點(diǎn)的形變分析方法從整體到局部均能很好地了解邊坡變形情況。

在整個(gè)數(shù)據(jù)處理和分析過程中，特征對(duì)象的識(shí)別和特征區(qū)域的格網(wǎng)劃分是關(guān)鍵，要求特征對(duì)象的形態(tài)是一個(gè)穩(wěn)定的整體地物，如一塊石頭、一個(gè)測量標(biāo)志（棱鏡）等，而對(duì)于特征區(qū)域則需進(jìn)行格網(wǎng)劃分，將格網(wǎng)作為一個(gè)特征對(duì)象進(jìn)行分析。

地面三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)在礦山邊坡形變分析中的應(yīng)用有效彌補(bǔ)了常規(guī)形變監(jiān)測和形變分析方法的不足，同時(shí)配合定期人工巡查的方法，對(duì)保障礦山安全生產(chǎn)和邊坡突發(fā)災(zāi)害的預(yù)防有重要意義。

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Determining Slope Feature-object Region and Deformation Analysis Using TLS Points Cloud Data

LI Chongrui，ZHANG Jin，XIAO Jie

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0232.

P258

B

0494-0911（2016）07-0094-04

2015-03-05；

2016-04-18

國家863計(jì)劃（2013AA122301）；國家自然科學(xué)基金（41371373）

李崇瑞（1988—），男，碩士生，主要從事點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理應(yīng)用研究。E-mail:tclichongrui@163.com

張 錦

引文格式：李崇瑞，張錦，肖杰.應(yīng)用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定邊坡特征對(duì)象區(qū)域和形變分析［J］.測繪通報(bào)，2016（7）:94-97.