基于三維激光掃描技術(shù)的高邊坡變形監(jiān)測(cè)分析

司夢(mèng)元， 周 銀， 郭杰明， 袁亞通， 白祖應(yīng)， 王義成， 應(yīng)春莉， 韓達(dá)光

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.云南交投普瀾高速公路有限公司，普洱 665000； 3.重慶魯汶智慧城市與可持續(xù)發(fā)展研究院，重慶 401147；4.奧斯陸城市大學(xué)技術(shù)&藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，奧斯陸 0130)

隨著中國(guó)的高速公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的日益發(fā)展，尤其是在中國(guó)山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中，由于山區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在建設(shè)高速公路中不可避免地要對(duì)沿線地理環(huán)境產(chǎn)生不同程度的破壞，各地區(qū)形成大量的邊坡。其中，高邊坡的變形失穩(wěn)與破壞將直接影響公路交通運(yùn)輸以及人身安全[1]。為此，在高速公路的施工階段及運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)階段，為確保高速公路運(yùn)營(yíng)期的安全性，對(duì)公路沿線邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)顯得尤為重要[2]。隨著新型監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，如遙感技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)將不斷彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不足[3-6]。其中，三維激光掃描技術(shù)由于其能夠快速高效地獲取掃描對(duì)象的高精度原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)及眾多變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[7-10]。徐進(jìn)軍等[11]將三維激光掃描技術(shù)引入到滑坡變形監(jiān)測(cè)于分析領(lǐng)域，并充分利用滑坡體上自然物的大量點(diǎn)云作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)完整和分析其變形。吳侃等[12]采用地面三維激光掃描技術(shù)，研究了三維激光掃描的單點(diǎn)精度、數(shù)據(jù)采集方法及數(shù)據(jù)處理方法，并提出了利用建筑物特征線是否變形來(lái)判定建筑物變形的思路，表明三維激光掃描能夠滿足精度要求。李強(qiáng)等[13]以某采煤沉陷區(qū)內(nèi)地表形明顯、沉陷趨勢(shì)顯著的地表為研究對(duì)象，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行地表沉降變形監(jiān)測(cè)研究，監(jiān)測(cè)區(qū)整體變形趨勢(shì)。

三維激光掃描技術(shù)在不同工程領(lǐng)域變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用表明，將其用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有顯著的可行性且突破了傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的局限性?；诖耍疚臄M采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)高速公路的高邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，利用三維激光掃描儀在不同時(shí)期對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以永久性三棱錐作為標(biāo)定物，利用其點(diǎn)云特征提取控制點(diǎn)將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)分析邊坡位移變形。根據(jù)邊坡特征基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取邊坡的特征點(diǎn)、特征線對(duì)邊坡的整體變形、豎向位移沉降變形及邊坡的水平位移變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 研究介紹

采用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合點(diǎn)云算法程序?qū)Ω咚俟犯哌吰逻M(jìn)行變形監(jiān)測(cè)分析研究。研究項(xiàng)目依托于某高速公路養(yǎng)護(hù)工程，課題組選取高速公路實(shí)驗(yàn)段內(nèi)主路與匝道交匯處的路塹高邊坡為對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與研究工作(圖1)。該邊坡開(kāi)挖長(zhǎng)度170 m，坡頂最大高度35 m。分四級(jí)開(kāi)挖，坡度在20°～30°，開(kāi)挖區(qū)地勢(shì)復(fù)雜、山體陡峭。采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)高邊坡進(jìn)行完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，快速、高效的建立三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)邊坡的多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比，得到邊坡的整體變形狀況，同時(shí)依據(jù)三維掃描邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，編制相應(yīng)算法提取邊坡混凝土格構(gòu)梁特征點(diǎn)、特征線，提取邊坡位移變形數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)客觀，很大程度上提高邊坡的監(jiān)測(cè)效率。

圖1 邊坡整體照片F(xiàn)ig.1 The overall picture of the slope

1.2 邊坡監(jiān)測(cè)方案布置

由于邊坡變形是長(zhǎng)期而又緩慢的變形過(guò)程，這就需要不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)邊坡進(jìn)行多期數(shù)據(jù)采集。為準(zhǔn)確、高效地獲取邊坡對(duì)象三維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在第一次數(shù)據(jù)采集前期需要對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)地考察，并確定數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及永久性邊坡控制點(diǎn)。在掃描前期，對(duì)確定的控制點(diǎn)進(jìn)行永久性澆筑并在其附近做標(biāo)志物，待澆筑控制點(diǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)采集工作。以首次掃描數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)后期掃描數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行邊坡變形的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。具體監(jiān)測(cè)方案如圖2所示。

圖2 邊坡變形監(jiān)測(cè)流程Fig.2 Flow chart of slope deformation monitoring

2 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

2.1 測(cè)站及控制點(diǎn)布置

測(cè)站布置即掃描整個(gè)邊坡對(duì)象所需要設(shè)置的監(jiān)測(cè)站數(shù)量及掃描儀器架設(shè)位置，以及根據(jù)監(jiān)測(cè)站位置確定掃描儀參數(shù)信息。針對(duì)掃描對(duì)象的大小、形狀、范圍及地理環(huán)境，結(jié)合周邊環(huán)境確定測(cè)站位置和設(shè)站數(shù)量，為保證后期數(shù)據(jù)的完整性及減少拼接誤差，應(yīng)在保證數(shù)據(jù)的精度和完整性的前提下，盡量減少設(shè)站數(shù)量。

控制點(diǎn)作為多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的控制點(diǎn)，布置時(shí)必須嚴(yán)格要求，控制點(diǎn)的可靠度將直接影響檢測(cè)結(jié)果的精度及準(zhǔn)確性?？刂泣c(diǎn)布置位置應(yīng)為地基穩(wěn)固的無(wú)變形區(qū)域，不易受環(huán)境因素影響。控制點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)在三個(gè)以上，以防止其中一個(gè)控制點(diǎn)由于不可抗力因素發(fā)生破壞，且任意三個(gè)控制點(diǎn)一組都要滿足其能構(gòu)成空間三角形?？刂泣c(diǎn)的周圍應(yīng)設(shè)置明顯標(biāo)志，一是防止無(wú)關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行破壞，二是方便后期數(shù)據(jù)采集容易識(shí)別。

2.2 邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

針對(duì)高速公路邊坡所處地理狀況，采用FARO-X330三維激光掃描儀對(duì)邊坡對(duì)象進(jìn)行全覆蓋掃描。為得到完整清晰的邊坡破面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究組選取邊坡另一側(cè)的山坡坡頂作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置視野開(kāi)闊，掃描儀僅需一站掃描就能夠獲取邊坡的完整點(diǎn)云，因此不需要多站掃描，很大程度上減少了數(shù)據(jù)誤差。此外，為使掃描儀能夠準(zhǔn)確、完整地捕獲控制點(diǎn)，需要在掃描前期對(duì)控制點(diǎn)附近存在的植被、雜物及其他障礙進(jìn)行清除。為了排除由于不可抗力因素導(dǎo)致某個(gè)控制點(diǎn)位置發(fā)生改變，每次掃描需要捕獲三個(gè)以上控制點(diǎn)以保證點(diǎn)云拼接配準(zhǔn)精度。最后，為保證采集的數(shù)據(jù)能夠滿足研究組的需要，在不改變監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的情況下調(diào)整儀器參數(shù)進(jìn)行多次掃描，邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。研究組在第一期掃描6月后對(duì)邊坡進(jìn)行二期三維激光掃描工作。

圖3 邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Point cloud data of the slope

3 邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于三維激光掃描儀所采集的數(shù)據(jù)為其掃描范圍內(nèi)所有對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括植被、車輛等與邊坡變形監(jiān)測(cè)無(wú)關(guān)的點(diǎn)云信息。為此，在點(diǎn)云后期處理前期應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，刪除無(wú)關(guān)點(diǎn)數(shù)據(jù)[14]。本次邊坡數(shù)據(jù)采集中掃描儀測(cè)站位置開(kāi)闊，僅需一站掃描就能獲取完整邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，不存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多站拼接問(wèn)題。

3.2 兩期邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)是以各自掃描站點(diǎn)為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)邊坡進(jìn)行變形分析前需要將多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。目前解決此類問(wèn)題的主要方法多為標(biāo)定物拼接和迭代最近點(diǎn)法(ICP算法)等。利用標(biāo)定物拼接的方法較為快捷、簡(jiǎn)便，但由于掃描各站的視覺(jué)問(wèn)題很難保證標(biāo)定物的點(diǎn)云完全相同，根據(jù)標(biāo)定物外形來(lái)計(jì)算的幾何中心也就很難保證其完全一致，此方法誤差源較多[15-16]。ICP算法[17-18]精度較高，但是其需要大量的運(yùn)算迭代過(guò)程，相當(dāng)耗時(shí)，若其初值選擇不合適將導(dǎo)致收斂速度將非常慢，甚至出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象?；诖?，研究組結(jié)合標(biāo)定物拼接方法的特點(diǎn)，在掃描前期，在邊坡底腳處澆筑永久性三棱錐作為標(biāo)定物，利用其點(diǎn)云特征提取控制點(diǎn)。

如圖4所示，圖4(a)為澆筑在邊坡底腳的三棱錐標(biāo)定物，圖4(b)為掃描儀捕獲的三棱錐點(diǎn)云數(shù)據(jù)。依據(jù)三棱錐點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征，利用三個(gè)非平行平面相交于一點(diǎn)以及三棱錐的三個(gè)面容易被掃描儀同時(shí)捕獲的原理提取相應(yīng)控制點(diǎn)。特別地，在制作三棱錐標(biāo)定物時(shí)需要嚴(yán)格要求其模板的制作以保證三棱錐的三個(gè)面絕對(duì)光滑，且三棱錐應(yīng)通過(guò)澆筑穩(wěn)固在邊坡坡腳混凝土框架上，待三棱錐穩(wěn)定后再進(jìn)行掃描工作，且在每次掃描后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑得永久性三棱錐標(biāo)定物做好保護(hù)措施以免其受到破壞。

圖4 三棱錐標(biāo)定物及點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.4 The image of the calibration and its point cloud data

對(duì)標(biāo)定物控制點(diǎn)提取原理如圖5(b)所示，取兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中控制點(diǎn)確定各期數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)系，并通過(guò)平移旋轉(zhuǎn)將多期數(shù)據(jù)換算到同一坐標(biāo)系下。由于掃描儀工作平面為大地水準(zhǔn)面，故其平移變量包含三個(gè)變量(X、Y、Z)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)變量Z。實(shí)驗(yàn)組通過(guò)平移旋轉(zhuǎn)矩陣算法確定四個(gè)未知變量將兩期點(diǎn)云配準(zhǔn)在同一坐標(biāo)系下，配準(zhǔn)后的兩期點(diǎn)云如圖5(a)所示，為檢查配準(zhǔn)效果，取掃描區(qū)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的拱橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)觀察，如圖5(a)所示藍(lán)色點(diǎn)云為一期掃描基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，黃色點(diǎn)云為二期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。兩期點(diǎn)云的配準(zhǔn)精度決定后期數(shù)據(jù)分析的可靠性，為此，提取拼接后的兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)控制點(diǎn)計(jì)算配準(zhǔn)誤差，如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)配準(zhǔn)后控制點(diǎn)的方向誤差最大為0.000 58 m，誤差相對(duì)較小，一般坐標(biāo)系配準(zhǔn)精度要求0～0.004 m，很大程度上滿足配準(zhǔn)精度要求。

圖5 邊坡點(diǎn)云配準(zhǔn)效果Fig.5 The point cloud registration effect of the slope

表1 控制點(diǎn)配準(zhǔn)結(jié)果

3.3 邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾

三維激光掃描儀能夠獲取掃描對(duì)象的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)站的不同獲取不同對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于掃描現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，捕獲的點(diǎn)云中包括樹(shù)木、建筑物、植被等眾多對(duì)象，而由于邊坡坡面植被的季節(jié)性生長(zhǎng)，若用邊坡坡面對(duì)邊坡進(jìn)行變形分析必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的失真?？紤]到邊坡上存在植被，而植被的生長(zhǎng)使得兩期邊坡坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的變化，且用于邊坡支護(hù)的混凝土格構(gòu)梁與邊坡連為整體又不受植被等影響，以混凝土格構(gòu)梁的位移變形來(lái)反映邊坡?tīng)顩r。邊坡局部點(diǎn)云如圖6所示，為分析鋼筋混凝土格構(gòu)梁的狀況，需要在捕獲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取錨碇端及鋼筋混凝土格構(gòu)梁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖6 邊坡局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.6 Local point cloud data of slope

掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息中包括空間三維坐標(biāo)(X，Y，Z)、激光反射強(qiáng)度及顏色信息(RGB)等屬性，而顏色信息(RGB)作為能夠有效地鑒別鋼筋混凝土格構(gòu)梁與其他對(duì)象的點(diǎn)云屬性。依據(jù)混凝土格構(gòu)梁的點(diǎn)云顏色屬性特點(diǎn)編制相應(yīng)的算法程序來(lái)過(guò)濾混凝土格構(gòu)梁外其他對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法程序?yàn)V除后仍然會(huì)存在個(gè)別非格構(gòu)梁對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)(顏色屬性相似)，可通過(guò)人工刪除即可。點(diǎn)云過(guò)濾處理后局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 過(guò)濾后邊坡局部點(diǎn)云Fig.7 Local point cloud of the slope after filtration

4 邊坡變形分析及變形量提取

4.1 邊坡整體變形分析

邊坡的失穩(wěn)破壞是以漸變積累到突變失穩(wěn)的破壞過(guò)程，且在其發(fā)生失穩(wěn)破壞前期將會(huì)表現(xiàn)出各種破壞征兆，如變形位移超出控制指標(biāo)、坡體產(chǎn)生裂縫、變形速率加快，這些破壞征兆均發(fā)生在邊坡的局部。采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、人工巡檢等無(wú)法詳細(xì)描述邊坡局部發(fā)生破壞的空間特征。三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其能夠獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)邊坡的三維重建和空間分析。為了能夠獲取邊坡的變形的空間特征及發(fā)展趨勢(shì)，采用算法程序提取混凝土格構(gòu)梁的特征點(diǎn)、特征線以及建立邊坡支護(hù)混凝土格構(gòu)梁的整體變形模型對(duì)邊坡進(jìn)行整體變形分析。

本研究對(duì)多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確配準(zhǔn)、過(guò)濾等處理后得到邊坡混凝土格構(gòu)梁支護(hù)結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以第一期邊坡數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)分析二期邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，形成一幅基于兩期邊坡模型相同部位點(diǎn)云距離差值的整體位移變形，邊坡整體位移變形如圖8所示，其中紅色部位處邊坡發(fā)生位移變形，該3D比較位移變形圖能夠發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生多處局部不均勻變形。

圖8 邊坡整體變形圖Fig.8 The overall deformation image of the slope

4.2 邊坡位移變形量提取

邊坡混凝土格構(gòu)梁為矩形橫截面，掃描儀能夠獲取其外側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究中采用算法程序充分利用混凝土格構(gòu)梁的正面與下側(cè)面的空間平面交線為特征線，將格構(gòu)梁分割為N小段，每段特征線的中點(diǎn)為特征點(diǎn)。特征點(diǎn)的提取應(yīng)遵循以下原則：對(duì)于被樹(shù)木、植被等遮擋的位置應(yīng)避免使用該處點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用兩側(cè)未被遮擋對(duì)象特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯插值；保證兩期數(shù)據(jù)特征點(diǎn)在邊坡的相對(duì)位置相同。選取混凝格構(gòu)橫梁的正面與下側(cè)面的交點(diǎn)作為特征點(diǎn)，以0.2 m步距提取特征點(diǎn)。利用兩期邊坡相對(duì)位置特征點(diǎn)的位移差值來(lái)反映邊坡位移變形量，取各級(jí)邊坡的坡頂和中部橫梁共八條代表性的橫梁分析獲得二期邊坡的三維變形結(jié)果如圖9所示。

圖9 邊坡三維變形圖Fig.9 The 3D displacement of the slope

通過(guò)對(duì)提取的邊坡特征點(diǎn)三維數(shù)據(jù)對(duì)比分析能夠看出，在整個(gè)邊坡中各級(jí)邊坡坡頂、坡體均存在較多不同程度的位移變形，且邊坡的位移變形主要體現(xiàn)在水平位移Y及豎向位移Z方向。為分析邊坡的變形狀況對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，提取邊坡的八條代表性的橫梁特征點(diǎn)對(duì)邊坡水平位移Y和豎向位移Z進(jìn)行計(jì)算分析。單一的特征點(diǎn)僅能反映邊坡特征點(diǎn)處的離散變形特征，而不能展現(xiàn)出邊坡的連續(xù)變形特征，為此，通過(guò)將提取邊坡的連續(xù)特征點(diǎn)連接為特征線直觀地反映邊坡對(duì)象的連續(xù)線性變形特征。水平位移變形結(jié)果如圖10(a)所示，豎向位移變形如圖10(b)所示，能夠反映出邊坡的坡面位移的大小、方向和發(fā)展趨勢(shì)。分析得到：在整個(gè)邊坡中各級(jí)邊坡的坡頂變形最為顯著，最大水平位移Y達(dá)0.063 56 m，最大豎向位移Z達(dá)0.102 73 m；邊坡局部變形為不均勻變形，局部水平位移在0～0.07 m范圍內(nèi)，豎向位移在0～0.11 m范圍；研究區(qū)邊坡整體變形較為平緩，最大沉降位移為0.102 73 cm，發(fā)生位移變形多數(shù)是由梅雨季節(jié)雨水沖刷和浸泡導(dǎo)致，且位移變形較小，邊坡?tīng)顟B(tài)比較穩(wěn)定。

圖10 邊坡位移變形Fig.10 The vertical displacement of the slope

5 結(jié)論

利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行非接觸測(cè)量，能夠高效地獲取邊坡高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建邊坡工程的三維數(shù)字化信息模型。以多期邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)為對(duì)象對(duì)邊坡的變形進(jìn)行分析，結(jié)果表明：應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)高速公路高邊坡進(jìn)行非接觸變形監(jiān)測(cè)，能夠?qū)吰氯我馕恢米冃畏治?，所得到的邊坡變形信息更為豐富且真實(shí)；突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)難以達(dá)到的從點(diǎn)到面的整體變形分析，所獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果在很大程度上滿足邊坡監(jiān)測(cè)的精度要求?？梢?jiàn)，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，不僅使得邊坡變形監(jiān)測(cè)更加精細(xì)化、智能化，而且很大程度上提高了邊坡監(jiān)測(cè)效率，具有一定可行性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。