基于3D激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王亮

摘? ?要：傳統(tǒng)的基于GPS和全站儀的地表變形監(jiān)測(cè)手段由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，難以對(duì)滑坡體進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，本文提出基于3D激光掃描技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)手段，本文研究了兩種變形信息的提取方法并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)算法，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的效果。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(cè)領(lǐng)域是完全可行的，其對(duì)大范圍區(qū)域快速、連續(xù)、全方位監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)是其他監(jiān)測(cè)手段所不具備的。

關(guān)鍵詞：3D激光? 變形監(jiān)測(cè)? 滑坡

中圖分類號(hào)：P642.22;P225.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（c）-0066-02

我國(guó)是世界上遭遇地質(zhì)災(zāi)害影響較嚴(yán)重的國(guó)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(jì)損失達(dá)數(shù)百億元。因此，如何對(duì)重要區(qū)域進(jìn)行有效的災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有重要的研究意義。目前，國(guó)內(nèi)外滑坡災(zāi)害主要監(jiān)測(cè)方法包括地表變形監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響因素監(jiān)測(cè)等。其中地表形變監(jiān)測(cè)是滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要內(nèi)容和有效手段。傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測(cè)手段主要是應(yīng)用GPS 和全站儀對(duì)重要點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，然而，這種觀測(cè)手段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，無(wú)法對(duì)滑坡體進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，并且在地形復(fù)雜區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)困難，外業(yè)工作量大，成果獲取周期長(zhǎng)，大大影響監(jiān)測(cè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)成為一種很好的途徑。

近年來(lái)國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)地面三維激光掃描儀在變形測(cè)量中的應(yīng)用作了一系列研究。如研究利用 DEM 數(shù)據(jù)與地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)分析變形信息。利用 3D 多項(xiàng)式曲面擬合地面激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。有研究將掃描場(chǎng)景數(shù)據(jù)分割成相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊，利用最小二乘的方法對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，然后計(jì)算每個(gè)獨(dú)立曲面在不同時(shí)期探測(cè)到的變形量，對(duì)得到的變形信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文在深入了解國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了地面激光掃描儀在變形監(jiān)測(cè)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了地面激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。

1? 三維激光測(cè)量技術(shù)

1.1 地面三維激光掃描儀的選擇

地面三維激光測(cè)量因其能夠快速、高效地獲取高精度、高密度的監(jiān)測(cè)對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大大提高了作業(yè)效率，近年來(lái)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(hào)眾多，不同型號(hào)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(hào)尤為重要。對(duì)于滑坡體的變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一般測(cè)量范圍較大，需要選擇測(cè)程較長(zhǎng)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(dá)4000m，150m測(cè)量精度15mm，重復(fù)測(cè)量精度10mm，水平掃描范圍360°，垂直掃描范圍60°，掃描速度每秒30000點(diǎn)，能夠滿足一般變形監(jiān)測(cè)的需求。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

地面三維激光儀掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在以測(cè)站為中心的局部坐標(biāo)系下，在不同測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系并不統(tǒng)一。如果在掃描過(guò)程中布設(shè)了多個(gè)測(cè)站，就需要對(duì)多站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。同時(shí)，變形監(jiān)測(cè)是對(duì)獲取的多期點(diǎn)云進(jìn)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(biāo)系下。目前有兩種常用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一： （1）先將多個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，然后測(cè)得 3個(gè)以上標(biāo)靶的大地坐標(biāo)，將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下; （2）對(duì)每一測(cè)站分別布設(shè) 3 個(gè)以上的標(biāo)靶并測(cè)得標(biāo)靶的大地坐標(biāo)，將每一測(cè)站數(shù)據(jù)都直接轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下?？紤]到變形監(jiān)測(cè)范圍較大，布設(shè)標(biāo)靶要滿足每個(gè)測(cè)站都能觀測(cè)到比較困難，因此本研究采用第二種方法，即在每一測(cè)站的布設(shè) 3 個(gè)以上的標(biāo)靶，直接進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波

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

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造 K-D 樹，建立點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系。

（2）求點(diǎn)云中任意一點(diǎn)鄰域范圍內(nèi)鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)。

（3）判斷鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)是否小于判定閾值，若小于則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)并去除。

（4）重復(fù)上述步驟，直至點(diǎn)云中所有點(diǎn)都處理完畢。

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

2? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波

地面三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)就是要通過(guò)提取監(jiān)測(cè)對(duì)象在不同時(shí)相的點(diǎn)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(cè)量等傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方式不同的是，地面三維激光掃描監(jiān)測(cè)并沒(méi)有明確的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于直接計(jì)算變形程度，需要通過(guò)間接計(jì)算提取變形信息，本文研究了變形信息提取的方法：點(diǎn)云所成模型間的比較。

模型和模型的比較就是將不同時(shí)相下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別建立各自的模型，再通過(guò)模型求差或模型參數(shù)比較的方式來(lái)檢測(cè)出形變并提取相關(guān)變形量，對(duì)于地形數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，可以直接從生成的 DEM 模型上提取變化信息。基于 DEM 模型的變形監(jiān)測(cè)步驟如下。

（1）對(duì)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲點(diǎn)和非地形數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別構(gòu)建DEM模型。

（3）統(tǒng)一DEM模型坐標(biāo)系和精度，以第一期DEM為基準(zhǔn)，對(duì)第二期DEM進(jìn)行內(nèi)插，統(tǒng)一格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。

（4）計(jì)算相同格網(wǎng)點(diǎn)的高程變化值來(lái)分析變形大小。

3? 試驗(yàn)與分析

為了對(duì)本文算法進(jìn)行驗(yàn)證，采用 VC++編制了點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形分析軟件。該軟件具備點(diǎn)云管理、點(diǎn)云渲染、點(diǎn)云漫游、點(diǎn)云選擇、點(diǎn)云濾波等基本操作功能。在此軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了變形分析算法，并設(shè)計(jì)了試驗(yàn)以驗(yàn)證算法的有效性。

試驗(yàn)采用了不同時(shí)期掃描的兩組礦坑數(shù)據(jù)進(jìn)行變化分析。兩期掃描數(shù)據(jù)間隔2個(gè)月，采用點(diǎn)云所成模型間的比較方法從兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取變化信息。

在將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成 DEM 模型并統(tǒng)一坐標(biāo)系和精度后，直接將相同坐標(biāo)格網(wǎng)點(diǎn)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 2所示，從圖2中可快速判別變形區(qū)變形程度。

4? 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)。本文主要研究將其應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)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(cè)領(lǐng)域是完全可行的，其對(duì)大范圍區(qū)域快速、連續(xù)、全方位監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)是其他監(jiān)測(cè)手段所不具備的。地面三維激光技術(shù)為變形監(jiān)測(cè)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(huì)成為一種常規(guī)監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)之中。

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