地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

陳弘奕，胡曉斌，李崇瑞，3

(1.山西省測繪工程院，山西 太原 030002；2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用

陳弘奕1，胡曉斌2，李崇瑞1，3

(1.山西省測繪工程院，山西 太原 030002；2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

介紹了將地面三維激光掃描儀應(yīng)用在變形監(jiān)測中的數(shù)據(jù)處理流程和數(shù)據(jù)分析方法，并針對點云數(shù)據(jù)的特點，提出了點云和點云直接比較、點云生成模型后比較兩種變形分析方法；在此基礎(chǔ)上，編制了基于激光點云數(shù)據(jù)的變形分析軟件，并設(shè)計了兩組試驗，驗證了兩種變形分析方法的有效性及激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域的可行性。

點云；掃描儀；變形監(jiān)測；地形

一、引 言

我國是世界上遭遇地質(zhì)災(zāi)害影響較嚴重的國家之一，每年因崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失達數(shù)百億元。因此，如何對重要區(qū)域進行有效的災(zāi)害監(jiān)測具有重要的研究意義。目前，國內(nèi)外滑坡災(zāi)害主要監(jiān)測方法包括地表變形監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、力學(xué)參數(shù)監(jiān)測、環(huán)境影響因素監(jiān)測等。其中地表形變監(jiān)測是滑坡監(jiān)測預(yù)警的重要內(nèi)容和有效手段[1]。傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測手段主要是應(yīng)用GPS和全站儀對重要點位進行連續(xù)觀測，然而，這種觀測手段的監(jiān)測點較少，無法對滑坡體進行整體監(jiān)測，并且在地形復(fù)雜區(qū)域布設(shè)控制點困難，外業(yè)工作量大，成果獲取周期長，大大影響監(jiān)測效率。隨著地面三維激光掃描儀的出現(xiàn)，利用高精度、高密度點云數(shù)據(jù)進行地表形變監(jiān)測成為一種很好的途徑。

近年來國外學(xué)者已經(jīng)對地面三維激光掃描儀在變形測量中的應(yīng)用作了一系列研究。如文獻[2]研究了利用DEM數(shù)據(jù)與地面三維激光點云數(shù)據(jù)進行比較來分析變形信息。文獻[3]利用3D多項式曲面擬合地面激光掃描點云數(shù)據(jù)對大壩的結(jié)構(gòu)進行檢測。文獻[1]將掃描場景數(shù)據(jù)分割成相對獨立的數(shù)據(jù)塊，利用最小二乘的方法對每個數(shù)據(jù)進行曲面擬合，然后計算每個獨立曲面在不同時期探測到的變形量，對得到的變形信息進行統(tǒng)計分析。本文在深入了解國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，詳細研究了地面激光掃描儀在變形監(jiān)測應(yīng)用中的掃描儀選擇、數(shù)據(jù)處理以及變形分析方法，并通過試驗驗證了地面激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域的可行性。

二、三維激光測量技術(shù)

1.地面三維激光掃描儀的選擇

地面三維激光測量因其能夠快速、高效地獲取高精度、高密度的監(jiān)測對象點云數(shù)據(jù)，大大提高了作業(yè)效率，近年來發(fā)展迅速，且被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。目前，Riegl、Trimble、Leica等主要儀器生產(chǎn)廠商提供的儀器型號眾多，不同型號的儀器性能參數(shù)差異較大，因此，根據(jù)掃描需求選擇合適的掃描儀型號尤為重要。對于滑坡體的變形監(jiān)測應(yīng)用來說，一般測量范圍較大，需要選擇測程較長的掃描儀，本研究選用了Riegl公司VZ-4000掃描儀，該掃描儀的最大有效掃描距離可達 4000 m，150 m測量精度15 mm，重復(fù)測量精度10 mm，水平掃描范圍360°，垂直掃描范圍60°，掃描速度每秒30 000點，能夠滿足一般變形監(jiān)測的需求。

2.點云數(shù)據(jù)拼接與坐標轉(zhuǎn)換

地面三維激光儀掃描獲取的點云數(shù)據(jù)是在以測站為中心的局部坐標系下，在不同測站獲取的點云數(shù)據(jù)坐標系并不統(tǒng)一。如果在掃描過程中布設(shè)了多個測站，就需要對多站掃描的數(shù)據(jù)進行拼接，統(tǒng)一到同一坐標系下。同時，變形監(jiān)測是對獲取的多期點云進行比較分析，因此，各期的掃描數(shù)據(jù)也必須統(tǒng)一到同一坐標系下。目前有兩種常用方法來實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一：①先將多個測站的數(shù)據(jù)配準，然后測得3個以上標靶的大地坐標，將配準后的點云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到大地坐標系下；②對每一測站分別布設(shè)3個以上的標靶并測得標靶的大地坐標，將每一測站數(shù)據(jù)都直接轉(zhuǎn)換到大地坐標系下?？紤]到變形監(jiān)測范圍較大，布設(shè)標靶要滿足每個測站都能觀測到比較困難，因此本研究采用第二種方法，即在每一測站的布設(shè)3個以上的標靶，直接進行大地坐標轉(zhuǎn)換[1]。

3.點云數(shù)據(jù)的濾波

在實際測量過程中，由于測量設(shè)備、測量環(huán)境、表面光潔度、表面涂層對光線的反射率以及人為操作等因素的影響，都會不可避免地引入不合理的測量數(shù)據(jù)(即噪聲)，而這些噪聲點對點云的數(shù)據(jù)處理有很大的影響，為了保證監(jiān)測的準確性，必須對原始數(shù)據(jù)進行去噪濾波處理。點云噪聲濾波主要是根據(jù)點云的局部屬性，以點云局部的法向量變化、K鄰域數(shù)目以及點到局部擬合曲面的距離等約束屬性來判斷某點是否屬于孤立噪聲或隨機噪聲，然后采用對應(yīng)的濾波方法進行濾波處理。對于孤立點噪聲，由于其一般具有鄰域點較少或不存在鄰域的特征，因而在孤立點的濾波過程中，可以較為簡單地在點云K-D樹索引基礎(chǔ)之上，通過判斷該點一定鄰域范圍的鄰近點個數(shù)是否小于判定閾值來判斷是否為孤立點。算法說明如下：

1)點云數(shù)據(jù)構(gòu)造K-D樹，建立點云拓撲關(guān)系。

2)求點云中任意一點鄰域范圍內(nèi)鄰近點個數(shù)。

3)判斷鄰近點個數(shù)是否小于判定閾值，若小于則認為該點為噪聲點并去除。

4)重復(fù)上述步驟，直至點云中所有點都處理完畢。

如圖1(a)所示，原始點云數(shù)據(jù)中存在大量的孤立點噪聲，在通過孤立點噪聲濾波后，噪聲數(shù)據(jù)基本被剔除，如圖1(b)所示。

圖1 孤立點噪聲濾波

三、變形分析方法

地面三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)變形監(jiān)測就是要通過提取監(jiān)測對象在不同時相的點云數(shù)據(jù)加以比較，以獲得發(fā)生變化的信息并據(jù)此加以分析。與GPS或者全站儀測量等傳統(tǒng)變形監(jiān)測方式不同的是，地面三維激光掃描監(jiān)測并沒有明確的變形監(jiān)測點用于直接計算變形程度，需要通過間接計算提取變形信息，本文研究了兩種變形信息提取的方法：點云和點云直接比較、點云所成模型間的比較。

1.點云和點云直接比較

點云和點云的直接比較就是將不同時相同一坐標系下的點云數(shù)據(jù)直接求差來提取監(jiān)測對象的變形量。常用的比較方法有平均距離法、Hausdorff距離法、最佳擬合面法。其中平均距離法、Hausdorff距離法受點云質(zhì)量影響較大，本文采用最佳擬合面法來提取變化信息。最佳擬合面法的具體步驟如下：

1)對兩期點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除噪聲點。

2)為兩期點云數(shù)據(jù)建立索引結(jié)構(gòu)(K-D樹、八叉樹、格網(wǎng)索引均可)，加快查找效率。

3)對于第二期點云數(shù)據(jù)中的每個點，尋找其在第一期數(shù)據(jù)中的K鄰域。

4)將K個鄰域點擬合成平面，并計算待判斷點到平面的距離，將距離大于閾值的標識為變化點。

2.點云所生成模型間的比較

模型和模型的比較就是將不同時相下的點云數(shù)據(jù)分別建立各自的模型，再通過模型求差或模型參數(shù)比較的方式來檢測出形變并提取相關(guān)變形量，對于地形數(shù)據(jù)來說，可以直接從生成的DEM模型上提取變化信息?；贒EM模型的變形監(jiān)測步驟如下：

1)對兩期點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除噪聲點和非地形數(shù)據(jù)。

2)對濾波后的點云數(shù)據(jù)分別構(gòu)建DEM模型。

3)統(tǒng)一DEM模型坐標系和精度，以第一期DEM為基準，對第二期DEM進行內(nèi)插，統(tǒng)一格網(wǎng)點坐標。

4)計算相同格網(wǎng)點的高程變化值來分析變形大小。

四、試驗與分析

為了對本文算法進行驗證，采用VC＋＋編制了點云數(shù)據(jù)變形分析軟件。該軟件具備點云管理、點云渲染、點云漫游、點云選擇、點云濾波等基本操作功能，軟件界面如圖2所示。在此軟件平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了兩種變形分析算法，并設(shè)計了兩組試驗以驗證算法的有效性。

圖2 軟件界面

1.試驗一

第一組試驗?zāi)M了兩期數(shù)據(jù)，第一期掃描數(shù)據(jù)為墻面，第二期掃描數(shù)據(jù)在墻面上模擬了3處變形區(qū)域。如圖3中圓圈位置所示，分別放置了厚度為2 cm的書，3 cm的盒子以及6 mm的筆記本。掃描獲得的點云數(shù)據(jù)如圖4所示，這組試驗數(shù)據(jù)采用點云和點云直接比較的分析方法提取變化信息，設(shè)置的變化閾值為1.5 cm。

圖3 模擬變形場景

圖4 掃描點云數(shù)據(jù)

變化提取結(jié)果如圖5所示，厚度為2 cm的書，3 cm的盒子能夠提取出來，厚度為6 mm的本子無法提取，因為VZ-4000掃描儀的重復(fù)掃描精度為1 cm，所以閾值的設(shè)置必須大于1 cm，導(dǎo)致變化在1 cm范圍內(nèi)的區(qū)域無法有效提取。試驗結(jié)果表明，變化范圍大于掃描儀重復(fù)掃描精度的區(qū)域能夠通過該算法有效檢測出來。

圖5 變化提取結(jié)果

2.試驗二

第二組試驗采用了不同時期掃描的兩組礦坑數(shù)據(jù)進行變化分析。兩期掃描數(shù)據(jù)間隔2個月，采用點云所成模型間的比較方法從兩期點云數(shù)據(jù)中提取變化信息。兩期掃描的點云數(shù)據(jù)及生成的DEM模型如圖6、圖7所示。

圖6 第一期點云數(shù)據(jù)及DEM模型

圖7 第二期點云數(shù)據(jù)及DEM模型

在將兩期點云數(shù)據(jù)生成DEM模型并統(tǒng)一坐標系和精度后，直接將相同坐標格網(wǎng)點的高程求差即可得到高程變化值，將高程變化大小按顏色表分層渲染后如圖8所示，從圖8中可快速判別變形區(qū)域和變形程度。

圖8 模型對比變化提取結(jié)果

在實際的應(yīng)用過程中，可將兩種變形分析方法結(jié)合使用，先通過點云所生成模型間比較的方法快速定位變形區(qū)域，然后將變形區(qū)域的點云數(shù)據(jù)提取出來，通過點云與點云間的直接比較計算精確的變形量。

五、結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高，信息豐富等優(yōu)點。本文主要研究將其應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理流程和數(shù)據(jù)分析方法。研究結(jié)果表明，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測領(lǐng)域是完全可行的，雖然其在測量精度上略低于GPS、全站儀等傳統(tǒng)監(jiān)測手段，但是其對大范圍區(qū)域快速、連續(xù)、全方位監(jiān)測的優(yōu)勢是其他監(jiān)測手段所不具備的。地面三維激光技術(shù)為變形監(jiān)測工程提供了一種新的解決方案并具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，隨著掃描儀軟硬件系統(tǒng)的不斷發(fā)展，激光掃描技術(shù)將會成為一種常規(guī)監(jiān)測手段應(yīng)用于變形監(jiān)測之中。

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Application of Terrestrial 3D Laser Scanning Technology in Deformation Monitoring

CHEN Hongyi，HU Xiaobin，LI Chongrui

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B

0494-0911(2014)12-0074-04

陳弘奕，胡曉斌，李崇瑞.地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報，2014(12)：74-77.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0402

2014-08-31

山西省測繪地理信息科技項目資助(2014-K1)

陳弘奕(1965—)，男，山西大同人，高級工程師，主要從事大地測量、航空攝影測量、工程測量和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)工作。