基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)邊坡變形監(jiān)測(cè)研究

張 亞，王海珍，王 濤

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099； 2. 西安思格瑪測(cè)繪儀器有限公司，陜西 西安 710054)

0 前 言

近年來，露天礦區(qū)的邊坡開挖越來越高，開挖的范圍越來越廣，開挖的速度越來越快，這對(duì)礦區(qū)邊坡的變形監(jiān)測(cè)提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段主要是依靠人工定期進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，如全站儀、GPS、水準(zhǔn)儀等，這些手段只能局限于對(duì)邊坡進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，無法對(duì)邊坡的整體變形進(jìn)行全面評(píng)估[2]。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)以其不接觸性、穿透性、主動(dòng)性，高密度、高精度、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)改變了這一現(xiàn)狀，使得越來越多的研究者逐漸嘗試著應(yīng)用到變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。袁長(zhǎng)征等[3]提出一種應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)研究地鐵隧道變形的方法，通過兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模提取同一位置處地鐵隧道的斷面進(jìn)行對(duì)比分析，得到地鐵隧道變形情況；李彥琛[4]驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)能夠反映煤礦沉陷區(qū)的真實(shí)情況，且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確，并從測(cè)量環(huán)境、掃描距離點(diǎn)、遠(yuǎn)距離波動(dòng)等影響因素對(duì)三維激光掃描技術(shù)的誤差來源進(jìn)行分析。基于此，本文運(yùn)用拓普康公司的GLS-2000三維激光掃描儀對(duì)某礦區(qū)的邊坡進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，采用Scan Master、Geomagic Studio軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，提取滑坡監(jiān)測(cè)樁數(shù)據(jù)與同期的全站儀、水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，然后通過兩期邊坡模型進(jìn)行疊加分析得到邊坡整體變形情況，并對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用邊坡變形監(jiān)測(cè)的誤差進(jìn)行分析。

1 三維激光掃描技術(shù)原理介紹

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)[5]，其載體是三維激光掃描儀，三維激光掃描儀是一個(gè)集多種高新技術(shù)于一體的非接觸主動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)，由電機(jī)、數(shù)據(jù)記錄器、激光測(cè)距和可以引導(dǎo)激光以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成，在儀器內(nèi)部激光測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖掃描被測(cè)物體，經(jīng)物體表面后沿同樣路線反射回儀器，即可得到目標(biāo)點(diǎn)P與三維激光掃描儀之間的斜距，同時(shí)融合激光信號(hào)和彩色相片得到P點(diǎn)的顏色信息，再參考轉(zhuǎn)動(dòng)的水平和垂直角度，就可獲得被測(cè)邊坡表面大量密集點(diǎn)的反射率信息和相對(duì)空間三維坐標(biāo)信息，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

被測(cè)邊坡點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

2 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 研究區(qū)域介紹

本次選擇某礦區(qū)邊坡作為研究對(duì)象，該邊坡高度為65 m，東西寬約為302 m，傾角為39(°)，總體比較穩(wěn)定，但是受持續(xù)開采的影響，地表先后出現(xiàn)了變形、開裂和沉陷，特別是東面邊坡，受采動(dòng)影響非常大，雖然對(duì)邊坡設(shè)置了預(yù)應(yīng)力抗滑樁、錨噴支護(hù)等工程加固措施，該邊坡還是會(huì)有一定的變形，需對(duì)該邊坡的變化發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定該邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 邊坡數(shù)據(jù)采集

本次研究采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀、徠卡1201+全站儀和徠卡DNA03水準(zhǔn)儀，分別于2017年1月和2017年5月對(duì)變形邊坡進(jìn)行兩次外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

每次掃描的時(shí)候把掃描儀對(duì)中、整平架設(shè)于已有的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，后視鄰近的其他基準(zhǔn)點(diǎn)上的標(biāo)靶進(jìn)行掃描儀的測(cè)站定向，然后設(shè)定掃描范圍、掃描密度，對(duì)該站范圍內(nèi)的邊坡掃描。這種基于測(cè)站后視的定向方式可以簡(jiǎn)單、快速、高精度對(duì)不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

使用徠卡1201+全站儀對(duì)邊坡上的監(jiān)測(cè)樁進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，徠卡DNA03水準(zhǔn)儀對(duì)邊坡上的監(jiān)測(cè)樁進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，這兩種儀器的使用主要是通過傳統(tǒng)的方法對(duì)邊坡進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)，以提供本次研究中邊坡各監(jiān)測(cè)樁真實(shí)的變形數(shù)據(jù)。

2.3 邊坡掃描數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

邊坡的地形起伏且有遮擋，而掃描儀的掃描視場(chǎng)有限，沒有辦法一次性把邊坡的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)都掃描完畢，要獲取邊坡的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分角度、位置進(jìn)行多次掃描。掃描儀在不同角度對(duì)邊坡進(jìn)行了多次掃描，此時(shí)對(duì)于同一個(gè)邊坡位置對(duì)應(yīng)不同的測(cè)站其坐標(biāo)值也不同，為了得到邊坡表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須對(duì)不同測(cè)站獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。本次采用的拓普康三維激光掃描儀掃描了四站，該儀器具有測(cè)站后視定向功能，通過這種方式掃描的數(shù)據(jù)在Scan Master 軟件中通過基于測(cè)站的形式完成數(shù)據(jù)的拼接。

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

在數(shù)據(jù)采集過程中，由于地表植被、樹木、周邊設(shè)備、邊坡表面粗糙等因素，非常容易產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的點(diǎn)和錯(cuò)誤的點(diǎn)，這些統(tǒng)稱為噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)會(huì)影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度以及在三維建模的時(shí)候會(huì)引起模型失真，所以必須降低或消除噪聲點(diǎn)，即去噪[6]。對(duì)于明顯的噪聲點(diǎn)采用手工方式直接予以刪除，對(duì)于靠近地面的噪聲點(diǎn)通過Geomagic Studio軟件中的降噪功能，分離出噪聲點(diǎn)，然后將噪聲點(diǎn)過濾。

2.3.3 數(shù)據(jù)重采樣

在設(shè)置掃描密度的時(shí)候一般設(shè)置的較小，這樣可以較為真實(shí)的反應(yīng)邊坡起伏變化情況，但是這也導(dǎo)致獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)計(jì)算機(jī)處理掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的速度產(chǎn)生影響，不利于后續(xù)的邊坡三維建模，所以要對(duì)去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。在Geomagic Studio軟件中采用曲率采樣的方法對(duì)邊坡進(jìn)行重采樣[7]，這樣盡可能的較為真實(shí)的反應(yīng)邊坡表面的起伏、變化。

2.3.4 邊坡三維建模

對(duì)邊坡的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)上述處理之后，得到邊坡表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是邊坡表面有些地面被遮擋，就會(huì)造成遮擋部分的數(shù)據(jù)缺失，即數(shù)據(jù)空洞，如果不對(duì)數(shù)據(jù)空洞進(jìn)行修補(bǔ)，在三維建模的時(shí)候會(huì)造成表面失真，本次是采用Geomagic Studio軟件中的基于曲率的填充方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)空洞區(qū)中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)的，修補(bǔ)完成后進(jìn)行邊坡三維建模，獲得邊坡兩期的三維模型(如圖2所示)，并將兩期的模型進(jìn)行疊加分析。

3 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了能準(zhǔn)確的反應(yīng)邊坡的變形情況，同時(shí)也為了研究三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用邊坡變形監(jiān)測(cè)的可行性，本文在對(duì)兩期所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過后續(xù)內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理分別提取了邊坡兩期的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形情況、整體特征變形情況，并從點(diǎn)、面兩個(gè)角度對(duì)邊坡的變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，然后根據(jù)地面點(diǎn)和監(jiān)測(cè)樁不同方法的較差對(duì)三維激光掃描技術(shù)的誤差進(jìn)行分析[8]。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量分析

根據(jù)三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本研究中提取了兩類特征點(diǎn)：一類是在邊坡變形監(jiān)測(cè)中設(shè)置的監(jiān)測(cè)樁，監(jiān)測(cè)樁是在邊坡表面0.6 m高的鋼筋混凝土墩，在其頂面的中心設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)軟件三維建模的功能，擬合出變形監(jiān)測(cè)樁的模型，提取到模型中心的三維坐標(biāo)，由兩期的模型中心三維坐標(biāo)差值即得三維激光掃描方法的監(jiān)測(cè)樁變形數(shù)據(jù)，共8個(gè)點(diǎn)；另一類是根據(jù)建立的模型提取得到監(jiān)測(cè)樁旁邊的地面點(diǎn)，共8個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)在監(jiān)測(cè)樁旁邊，其變形量應(yīng)與監(jiān)測(cè)樁一致。

表1是三維激光掃描所提取的監(jiān)測(cè)樁和地面點(diǎn)數(shù)據(jù)與同期的全站儀得到的水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比情況。表2是三維激光掃描所提取的監(jiān)測(cè)樁和地面點(diǎn)數(shù)據(jù)與同期精密水準(zhǔn)儀得到的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。根據(jù)表1和表2、圖3和圖4的對(duì)比分析，可以得到2017年1月和5月使用兩類監(jiān)測(cè)方法所得到的邊坡的水平位移、沉降監(jiān)測(cè)基本上保持一致。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量對(duì)比分析來看，三維激光掃描技術(shù)得到的變形量精度較高，可靠性非常好，能真實(shí)的反映出邊坡的變形情況。

表1 兩期水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果精度分析

3.2 整體特征變形分析

三維激光掃描技術(shù)最大的特點(diǎn)是能夠掃描被測(cè)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取被測(cè)物體表面高精度三維模型[9]，應(yīng)用到邊坡變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中就可以對(duì)邊坡體做全面、整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，從整體對(duì)變形體進(jìn)行分析。

表2 兩期沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果精度分析

圖3 全站儀測(cè)量與三維激光測(cè)量水平位移曲線比較

圖4 水準(zhǔn)儀測(cè)量與三維激光測(cè)量沉降曲線比較

圖5是以第1期模型為基準(zhǔn)，把兩期模型疊加所形成的基于兩期監(jiān)測(cè)對(duì)象相同部分變形情況的假彩色模型，圖中不同的顏色顯示出邊坡整體變形的情況。根據(jù)整體變形假彩色模型所得到的變形趨勢(shì)和全站儀、水準(zhǔn)儀、掃描儀得到的變形趨勢(shì)基本一致，能反映出邊坡變形的情況，但精度有所欠缺。

3.3 三維激光掃描技術(shù)誤差分析

由表1、 2中全站儀、水準(zhǔn)儀和掃描儀的較差以及圖3、4中地面點(diǎn)曲線與監(jiān)測(cè)樁曲線我們可以看到，提取出的地面點(diǎn)的曲線雖然和監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線基本一致，但是地面點(diǎn)的較差大于監(jiān)測(cè)樁的較差，這說明三維掃描技術(shù)的精度與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的精度還有一定的差距，這種差距主要受三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測(cè)過程中數(shù)據(jù)采集精度的影響，其中主要包括掃描目標(biāo)反射特性的影響、地面植被以及其他物體遮擋的影響、掃描距離及掃描密度的影響等。

圖5 邊坡整體變形假彩色圖

掃描目標(biāo)反射特性的影響主要因?yàn)閽呙鑳x測(cè)距時(shí)依賴于邊坡表面反射回的激光信號(hào)，這樣邊坡表面反射強(qiáng)弱的差異就能導(dǎo)致激光測(cè)距產(chǎn)生誤差，反射強(qiáng)弱主要受邊坡的材質(zhì)、粗糙程度、邊坡表面與激光夾角等影響[10]。地面植被以及其他物體遮擋的影響在去噪過程中能去除大部分植被的噪聲點(diǎn)，但是還有個(gè)別噪聲點(diǎn)難以去除，影響建模精度，物體的遮擋引起掃描空洞，雖說后續(xù)進(jìn)行了填補(bǔ)，但填補(bǔ)的數(shù)據(jù)可能與實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差，同樣影響精度。掃描距離和掃描密度的影響主要是隨著掃描距離的增加點(diǎn)云掃描的密度會(huì)逐漸降低，點(diǎn)云掃描密度的降低使得邊坡表面點(diǎn)云測(cè)量精度降低[11]，這會(huì)導(dǎo)致建立的三維模型的精度降低。

4 結(jié) 語

從本次的研究數(shù)據(jù)成果分析來看，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測(cè)雖然還有一些不足：掃描距離有限、噪聲點(diǎn)較多、數(shù)據(jù)空洞等，但是其在邊坡變形監(jiān)測(cè)可以快速、準(zhǔn)確的獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立三維模型，得到點(diǎn)、面的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，直觀簡(jiǎn)潔的顯示邊坡變形量、變形區(qū)域，同時(shí)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的整體變形特征不足的情況，極大的提高了監(jiān)測(cè)的工作效率。因此，隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷改進(jìn)和儀器測(cè)量精度的提高，這項(xiàng)技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測(cè)中將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用。