三維激光掃描技術(shù)在海島邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉 輝

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心—遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

海島地質(zhì)災(zāi)害是指島嶼陸地和海岸的地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程，對(duì)島嶼的自然生態(tài)環(huán)境和地形造成嚴(yán)重破壞，或者造成海島人民的生命財(cái)產(chǎn)損失，這將直接或間接影響該島的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[1]。海島邊坡發(fā)生滑坡和泥石流屬于常見的地質(zhì)災(zāi)害，因此，持續(xù)對(duì)海島的邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要。

海島的邊坡監(jiān)測(cè)主要是定期測(cè)量邊坡平面和垂直方向的位移變化，判斷和分析邊坡是否變形，以及變形的區(qū)域、大小、方向和類型，進(jìn)而得出結(jié)論。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)的方法是利用全站儀和GPS對(duì)點(diǎn)特征進(jìn)行測(cè)量，基于遙感、攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)獲取變形數(shù)據(jù)具有精度高、速度快、節(jié)省人力物力等優(yōu)勢(shì)，是海島邊坡監(jiān)測(cè)的主要發(fā)展方向，并且已取得了較多的研究成果。胡穎等[2]提出了將地面三維掃描技術(shù)用于監(jiān)測(cè)地表形變產(chǎn)生的滑坡災(zāi)害的方法。蔣健等[3]提出了一種分布式GNSS地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，通過衛(wèi)星差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的全自動(dòng)實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害的可視化監(jiān)測(cè)和管理。張國(guó)龍等[4]以鄭州市西北某一滑坡監(jiān)測(cè)為例，介紹了對(duì)三維激光掃描獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡變形分析的方法，得到滑坡體變形的點(diǎn)、線、面的滑坡變化信息，驗(yàn)證了該方法在滑坡監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性。

1.三維激光掃描技術(shù)原理

1.1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

近些年來，三維激光掃描技術(shù)作為一種測(cè)量的新型技術(shù)得到了快速發(fā)展。它通過向?qū)ο笪矬w發(fā)射高速激光，獲得被射物體的表面的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用三維激光掃描技術(shù)配套的軟件計(jì)算并處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建出物體的三維模型及相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。三維激光掃描技術(shù)可以快速獲得物體的表面特征，避免了傳統(tǒng)的“以點(diǎn)代面”測(cè)量方法的缺點(diǎn)，還具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)精度可靠、受外部條件的限制較小的優(yōu)點(diǎn)，并且所獲得的數(shù)據(jù)可以更直觀地反映物體的表面信息。

1.2 三維激光掃描儀工作原理

3D激光掃描系統(tǒng)主要由3D激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源系統(tǒng)、支架和系統(tǒng)支持軟件組成。根據(jù)掃描原理，常用的三維激光掃描技術(shù)可分為三類：相位測(cè)距法、脈沖相位測(cè)距法和激光測(cè)距法。測(cè)距原理如下：

1.2.1 脈沖測(cè)距方法

脈沖測(cè)距法是一種將激光時(shí)間測(cè)量與距離測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量技術(shù)。脈沖測(cè)距方法適用于超長(zhǎng)距離3D激光測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到厘米級(jí)。最常用的儀器是奧地利Rigel激光雷達(dá)儀器和瑞士的Leica激光雷達(dá)儀器。

1.2.2 激光三角測(cè)距法

激光三角測(cè)距的原理是通過激光傳輸系統(tǒng)發(fā)送激光到目標(biāo)物體的表面，而CCD攝像機(jī)接收目標(biāo)物體反射的信息。根據(jù)記錄的入射光與反射光之間的角度和三角形的幾何關(guān)系計(jì)算目標(biāo)對(duì)象在坐標(biāo)系中的位置。這種激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在幾十米范圍內(nèi)的測(cè)量精度能夠達(dá)到亞毫米級(jí)，它主要用于逆向工程的模型重建和工業(yè)測(cè)量。

1.2.3 相位測(cè)距法

相位測(cè)距法是通過光波的相位差計(jì)算距離。使用相位測(cè)距法的儀器通常用于短距離或中距離的觀測(cè)設(shè)備，相位測(cè)距法的測(cè)量精度高，毫米級(jí)的觀測(cè)精度能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域等精度要求高的測(cè)量需求。

1.2.4 脈沖—相位測(cè)距法

將脈沖測(cè)距與相位測(cè)距方法結(jié)合在一起，就形成了脈沖—相位測(cè)距法。它通過有效地結(jié)合兩種測(cè)距方法，可以獲得高精度的位置信息。

1.3 三維激光掃描測(cè)量誤差分析

三維掃描儀有三個(gè)誤差來源：線性誤差（激光雷達(dá)部分/LARA）、測(cè)距噪聲（激光雷達(dá)部分/LARA）和測(cè)角誤差（機(jī)械偏轉(zhuǎn)部分）。

1.3.1 線性誤差

線性誤差是在測(cè)量時(shí)做了距離校準(zhǔn)后出現(xiàn)的小誤差。對(duì)比不同距離下的采樣均值與真實(shí)距離，得到了不同距離下的測(cè)距殘留誤差。

1.3.2 測(cè)距噪聲

距離測(cè)量時(shí)采樣的數(shù)值與其平均數(shù)值之間的差值為距離噪聲，它呈高斯正態(tài)分布。測(cè)距噪聲是任何點(diǎn)云數(shù)據(jù)里都有的，該誤差受測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)采集速度的影響較大，因此，測(cè)量時(shí)儀器與測(cè)量物體之間的距離、被測(cè)物體表面的反射率等都是影響測(cè)距噪聲大小的重要因素，控制好這幾種影響因素能夠有效減小測(cè)距噪聲的值。

1.3.3 機(jī)械偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

激光束的發(fā)射角度是根據(jù)反射鏡的角度來測(cè)量的，激光束真實(shí)的發(fā)射角度與反射鏡的實(shí)際角度并不是完全一樣。測(cè)角誤差又包括水平測(cè)角誤差Eβ與豎直測(cè)角誤差Eα。為了得到由掃描儀機(jī)械偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶來的測(cè)角誤差，需要對(duì)測(cè)量?jī)x器建立校準(zhǔn)場(chǎng)，在校準(zhǔn)場(chǎng)內(nèi)對(duì)掃描儀進(jìn)行校正，通過計(jì)算目標(biāo)地物的測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值，即得到這臺(tái)掃描儀機(jī)械偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的測(cè)角誤差。有了這些測(cè)角誤差就會(huì)相應(yīng)生成一些實(shí)時(shí)改正參數(shù)。角度誤差在距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)點(diǎn)云的三維誤差影響很大。

基于以上分析，測(cè)角誤差是一個(gè)重要參數(shù)。但是角度分辨率是機(jī)器能識(shí)別的最小角度，和測(cè)角精度沒有關(guān)系。

2.海島邊坡測(cè)量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧東部長(zhǎng)山群島，地處長(zhǎng)山群島的中心位置。陸地面積31.79平方公里，海岸線長(zhǎng)94.4公里，海域面積651.5平方公里，沿海分布有海蝕階地和沖積平原。地形破碎，河流短促，河谷狹窄。植被類型為暖溫帶落葉闊葉林，屬于華北植物區(qū)系，植被以油松、赤松為主。土壤類型主要為棕壤、草甸土、草甸沼澤土、少量風(fēng)積沙土和潮坪鹽土。

由于組成海島邊坡的巖體多為石英巖、碎石等不穩(wěn)定材質(zhì)，因此，易產(chǎn)生危巖崩塌墜落等災(zāi)害，此處之前曾發(fā)生過落石等情況，目前已采取防護(hù)網(wǎng)加固的方式來降低災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施

利用三維激光掃描儀測(cè)量邊坡的變形數(shù)據(jù)采用以下技術(shù)流程（如圖1所示）：

圖1 邊坡變形測(cè)量技術(shù)流程

2.2.1 軟硬件投入

2.2.2 點(diǎn)位布設(shè)

技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、驗(yàn)證和確認(rèn)掃描對(duì)象周圍的控制點(diǎn)，并在掃描過程中檢查控制點(diǎn)的可用性，標(biāo)記并保存可用的控制點(diǎn)。根據(jù)掃描目標(biāo)的形狀、位置、空間分布、精度要求和掃描分辨率來確定測(cè)站和目標(biāo)的位置。本次試驗(yàn)利用島上已有的平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)與提前埋設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

沿著監(jiān)測(cè)邊坡下的道路，通過導(dǎo)線與水準(zhǔn)路線布測(cè)工作基點(diǎn)，沿著堤岸與道路之間布測(cè)工作基點(diǎn)，選擇斜坡上的自然特征點(diǎn)作為變形觀測(cè)點(diǎn)。布設(shè)點(diǎn)位時(shí)，盡量選在位置牢固，便于觀測(cè)，并能反映監(jiān)測(cè)體或監(jiān)測(cè)斷面兩側(cè)變形特征的位置。為了方便后續(xù)的掃描儀進(jìn)行掃描作業(yè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)還應(yīng)兼具三維激光掃描標(biāo)記點(diǎn)的功能。在選擇點(diǎn)位時(shí)，還必須考慮在兩個(gè)站點(diǎn)的掃描范圍內(nèi)需要三個(gè)或更多的標(biāo)記點(diǎn)。

2.2.3數(shù)據(jù)采集

將三維激光掃描儀在選定的工作基點(diǎn)上對(duì)海島邊坡進(jìn)行掃描，并將選定的監(jiān)視點(diǎn)作為特征點(diǎn)。然后，根據(jù)預(yù)先制定的掃描方案，在測(cè)站上架設(shè)三腳架并安裝設(shè)備。在確認(rèn)作業(yè)范圍內(nèi)無遮擋后開始掃描，設(shè)備會(huì)對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)獲取。掃描結(jié)束后，將掃描儀存儲(chǔ)卡中的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并是初級(jí)結(jié)果，其數(shù)據(jù)量巨大、點(diǎn)位分布散亂且密度大，因此，無法直接使用。通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理即可解決這些問題，預(yù)處理的主要環(huán)節(jié)包括：降噪、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、規(guī)則化等，為下一步進(jìn)行三維建模做準(zhǔn)備（如圖2所示）：

當(dāng)1≥e1>e2>0時(shí)，對(duì)任意的p1，定理4結(jié)合定理1，有q*(e1,p1)>q*(e2,p1)，如圖6所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

人們經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)平滑算法包括三種：高斯濾波法、鄰域平均法和中值濾波法。由于去噪過程中的權(quán)重是高斯分布，高斯濾波能夠完全消除點(diǎn)云中的噪聲，并完整地保留特征信息，因此，高斯濾波可以去除高頻信號(hào)，該算法在三種算法中效果最好。在具有特征點(diǎn)的點(diǎn)云濾波中，均值方法效果更好，但在其他場(chǎng)景中效果一般。中值濾波方法僅對(duì)特殊的點(diǎn)云噪聲（如點(diǎn)云中的噪聲呈毛刺狀）處理效果較好。因此，本文采用高斯濾波算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。

2.2.4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)。首先要將幾次掃描獲得的數(shù)據(jù)做拼接，才能獲取被測(cè)物體表面的完整信息。將單次掃描的數(shù)據(jù)分別匹配到參考數(shù)據(jù)上，最終將觀測(cè)目標(biāo)的完整信息統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。

在掃描數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)上分別選取至少三對(duì)同名點(diǎn)，然后將待配準(zhǔn)的掃描數(shù)據(jù)糾正到參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)上。在配準(zhǔn)時(shí)，需要不斷調(diào)整選取的同名點(diǎn)，已達(dá)到最佳的配準(zhǔn)精度。本試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接效果（如圖3所示）：

圖3 拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2.5 數(shù)據(jù)處理

在做完數(shù)據(jù)預(yù)處理后進(jìn)行下一步的建模處理。建模的首要內(nèi)容是數(shù)學(xué)算法的選擇，算法的合適與否將決定模型的精度和數(shù)據(jù)表達(dá)的正確性。通過數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系擬合離散點(diǎn)，從而建立了接近真實(shí)形狀的模型。

2.2.6 模型輸出與評(píng)價(jià)

利用軟件將不同算法得到的建模結(jié)果進(jìn)行比較和分析，統(tǒng)計(jì)模型的精度，進(jìn)而驗(yàn)證從構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性。構(gòu)建的點(diǎn)云模型（如圖4所示）：

圖4 點(diǎn)云模型

2.2.7 多期監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

利用三維激光掃描儀對(duì)監(jiān)測(cè)的海島邊坡進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，通過對(duì)比同一點(diǎn)位的數(shù)據(jù)差異得出該點(diǎn)位的位移量。根據(jù)規(guī)范中關(guān)于滑坡監(jiān)測(cè)的精度要求，對(duì)于試驗(yàn)區(qū)這種巖質(zhì)滑坡，當(dāng)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的中誤差大于6毫米、垂直位移監(jiān)測(cè)的高程中誤差大于3毫米或地表裂縫的觀測(cè)中誤差大于0.5毫米時(shí)，則認(rèn)為觀測(cè)點(diǎn)位發(fā)生了變形。各期掃描結(jié)果與第一期比監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量（如表1、表2所示）。對(duì)比五期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到后四期與第一期的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變化幅度小，點(diǎn)位穩(wěn)定，所測(cè)邊坡整體穩(wěn)定的結(jié)論。由于同期數(shù)據(jù)都是在同一天先后測(cè)得的，因此外界環(huán)境的影響可忽略不計(jì)。

表1 第二、三期掃描結(jié)果與第一期比監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量

表2 第四、五期掃描結(jié)果與第一期比監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量

3.結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)使用激光掃描儀發(fā)射并接收激光掃描掃描束，能夠快速、高效地得到掃描對(duì)象海量的點(diǎn)云信息，進(jìn)而得到坐標(biāo)和其他空間信息。然后，通過對(duì)海量、密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠快速構(gòu)建出三維點(diǎn)云模型，為數(shù)據(jù)分析等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文通過對(duì)遼寧東部海島邊坡進(jìn)行五期三維激光數(shù)據(jù)獲取和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的試驗(yàn)，總結(jié)出利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行物體變形測(cè)量的技術(shù)方法。通過定期復(fù)測(cè)的方式獲得監(jiān)測(cè)對(duì)象的三維信息，對(duì)比特征點(diǎn)位的水平、垂直等度量的變化，進(jìn)而分析出監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形情況。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，它已逐漸成為空間數(shù)據(jù)采集的重要手段，該技術(shù)將在工程建設(shè)規(guī)劃、物體三維重建與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。