基于激光點(diǎn)云的滑坡體三維模型構(gòu)建

羅婷婷 徐泮林 隋 瑜

（1、山東無形信息技術(shù)有限公司，山東 泰安271000 2、山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院，山東 青島266000）

滑坡是山區(qū)最常見的山地災(zāi)害之一，分布廣、危害大，常給山區(qū)交通、能源、工礦、城鎮(zhèn)以及水電建設(shè)造成極大危害，且滑坡災(zāi)害具有較強(qiáng)的隱蔽性。隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，利用該技術(shù)能夠有效地發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患。

三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸測量，速度快、精度高，對滑坡體的掃描可采集到其表面高密度海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行一系列的后處理能得到滑坡范圍的完整變形信息并建立三維模型，基于兩期或多期海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)所構(gòu)建的三維模型對比，從而掌握滑坡體整體的變形規(guī)律[1]。

1 三維激光掃描系統(tǒng)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。三維激光掃描儀又由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD 相機(jī)及軟件等組成。測距設(shè)備技術(shù)的核心有激光無反射棱鏡長距離快速測距技術(shù)和空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)?？刂品瓷淅忡R的高速轉(zhuǎn)動使激光束以小角度間隔連續(xù)發(fā)射，記錄每束激光發(fā)射時(shí)的回波反射強(qiáng)度值和波形發(fā)生的相位變化，確定掃描中心到地表采樣點(diǎn)的掃描角度和斜距，計(jì)算出掃描中心和采樣點(diǎn)的相對空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對地物表面信息的高密度的數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)云的主要特點(diǎn)[2]有：數(shù)據(jù)量大、密度高、帶有掃描物體光學(xué)特征信息、立體化、離散性、可量測性、非規(guī)則性等，這些特點(diǎn)使三維激光掃描數(shù)據(jù)得到十分廣泛的應(yīng)用，也使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理變得十分復(fù)雜和困難。

2 三維模型構(gòu)建方法對比

2.1 Geomagic Studio 軟件的主要功能[2]：點(diǎn)云的處理；多邊形模型的構(gòu)建、修改和子網(wǎng)格模型的生成對網(wǎng)格的參數(shù)化和Bezier 或NURBS 曲面擬合；在建模完成后可以根據(jù)點(diǎn)云模型對建模結(jié)果做出精度評價(jià)等。

2.2 3D Max 軟件的主要特點(diǎn)[3]：操作簡單、易上手；三維數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好；模型功能強(qiáng)大，動畫方面有較大優(yōu)勢，插件豐富，制作的模型效果非常逼真。

2.3 HyperMesh[4]具有強(qiáng)大的有限元前期處理功能，提供高質(zhì)量高效率的網(wǎng)格劃分技術(shù)，可以完成桿梁、板殼、實(shí)體網(wǎng)格劃分，能夠提供交互式可視環(huán)境幫助應(yīng)用者建立各種復(fù)雜的有限元模型。自動網(wǎng)格劃分模塊提供一個(gè)智能的格網(wǎng)劃分工具，可調(diào)整網(wǎng)格劃分算法、網(wǎng)格密度、單元變化趨勢等網(wǎng)格劃分參數(shù)。HyperMesh 提供有限有限元網(wǎng)格變形功能，支持基于有限元網(wǎng)格的快速變形修改，無需修改幾何模型。

2.4 FLAC3D[5]是一個(gè)三維有限差分軟件，在FLAC 基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展開發(fā)，可用交互方式從鍵盤輸入命令或?qū)懗擅钗募眚?qū)動。FLAC3D 能模擬計(jì)算三維巖、土體等介質(zhì)中工程結(jié)構(gòu)的受力與變形形態(tài)。FLAC3D 有幾個(gè)特點(diǎn)：對模擬塑性破壞和塑性流動采用“混合離散法”；采用動態(tài)運(yùn)動方程，模擬不穩(wěn)定過程中不存在數(shù)值上的障礙；采用中等容量的內(nèi)存求解多單元結(jié)構(gòu)，模擬大變形問題不消耗更多的計(jì)算時(shí)間。

3 案例分析

3.1 滑坡體點(diǎn)云獲取

3.1.1 工作路徑的選擇。為提高數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量，掃描工作確保不受到地理環(huán)境因素的干擾；精簡站點(diǎn)的布設(shè)次數(shù)，以減少坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差累計(jì)；將工作路徑與測量控制網(wǎng)或GPS 基準(zhǔn)點(diǎn)連接，對掃描數(shù)據(jù)的點(diǎn)位坐標(biāo)可靠性進(jìn)行測量控制。

3.1.2 掃描站點(diǎn)的選取。為保證掃描儀在有效工作距離內(nèi)能夠獲取足夠密度的地物表面采樣點(diǎn)，相鄰兩站之間要有至少15% 的重疊度，點(diǎn)云配準(zhǔn)有足夠的起算數(shù)據(jù)；標(biāo)靶的位置分布要均勻合理，標(biāo)靶的布設(shè)不能在一個(gè)平面內(nèi)，以免配準(zhǔn)失效，降低配準(zhǔn)系統(tǒng)誤差可能性。

3.1.3 掃描參數(shù)的設(shè)置。兼顧場景中不同部分的掃描需求，根據(jù)地物的類別和表面層次信息的豐富程度，進(jìn)行掃描區(qū)域、掃描采樣間隔的設(shè)置。對于精美的石窟或者石刻等古跡，要以盡可能小的點(diǎn)位間隔進(jìn)行詳盡記錄。對于層次信息豐富的場景，可在取景框中同時(shí)分別選擇精細(xì)掃描和快速掃描，提高工作效率。

3.2 滑坡體三維模型的構(gòu)建

3.2.1 基于Geomagic Studio 的初級模型構(gòu)建

首先，用CloudCompare 軟件將配準(zhǔn)、去噪、統(tǒng)一化處理和抽稀后的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的.las 格式文件轉(zhuǎn)換為Geomagic Studio 能識別的.txt 格式，導(dǎo)入Geomagic Studio 對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，提取出山體滑坡部分并進(jìn)行統(tǒng)一采樣格式、降噪、封裝處理。

其次，對點(diǎn)三角網(wǎng)模型進(jìn)行處理。通過網(wǎng)格醫(yī)生對多邊形網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，去除一些比較突出、尖銳的釘狀物，對封裝模型進(jìn)行填充、修補(bǔ)。破洞填補(bǔ)工作量最大，是影響建模質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對填充、修補(bǔ)后的模型再進(jìn)行生成流形模型處理，刪除模型中的非流形三角形，保證模型能夠進(jìn)行后續(xù)模型處理。

圖2 滑坡體NURBS 曲面初級模型

最后，對流形模型進(jìn)行松弛和簡化處理，使用更少數(shù)量的多邊形來表示模型載體，可以基于三角形數(shù)量或者公差限制來簡化多邊形。通過編輯輪廓線、曲率、抽殼，創(chuàng)建曲面片，并對曲面進(jìn)行編輯來創(chuàng)建滑坡體的較為理想的NURBS 曲面，完成Geomagic studio 內(nèi)的初級模型逆向構(gòu)建，輸出一個(gè).igs 和一個(gè).dxf 文件。

3.2.2 基于3D Max 對初級NURBS 曲面模型進(jìn)行完善

將.dxf 格式文件導(dǎo)入3D Max，將曲面轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，因?qū)氲?dxf 文件中存在三角格網(wǎng)連接斷點(diǎn)，對點(diǎn)層級需要進(jìn)行修復(fù)和焊接工作。設(shè)置相機(jī)參數(shù)、光源、物體材質(zhì)，調(diào)整貼圖并賦予物體UVW 貼圖尺寸。通過Photoshop 對模型進(jìn)行調(diào)色加上陰影，生成一個(gè)完整的滑坡體三維模型，如圖3 所示。

圖3 模型渲染成果

3.2.3 基于HyperMesh 對模型進(jìn)行有限元編輯處理，生成有限元模型

將.igs 模型文件導(dǎo)入HyperMesh，選用Geomagic studio 進(jìn)行有限元的Mesh 模型建立，對模型的材料、截面、實(shí)常數(shù)、單元類型等進(jìn)行簡要編輯，如圖4 所示。

圖4 編輯后的有限元模型

將有限元模型輸出為能被ANSYS 識別的.cdb 格式，并導(dǎo)入ANSYS，利用ANSYS 軟件與FLAC3D 的接口功能將模型導(dǎo)入FLAC3D，實(shí)現(xiàn)FLAC3D 數(shù)值模型的建立，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 基于FLAC3D 的滑坡體模型

結(jié)束語

在引入三維激光掃描技術(shù)后，我們可以利用三維激光掃描獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Geomagic studio、3D Max、HyperMesh 等逆向工程技術(shù)軟件，便捷、高效地建立復(fù)雜的三維滑坡體模型，再結(jié)合FLAC3D 軟件平臺進(jìn)行數(shù)值模型的建立，從根本上解決了傳統(tǒng)DEM模型對滑坡體實(shí)體反映不清晰、對滑坡體穩(wěn)定性分析效率低下等一系列問題，實(shí)現(xiàn)了通過模型對滑坡體這一地質(zhì)災(zāi)害的“可視、可算”一體化的目的，對滑坡這一地質(zhì)災(zāi)害的治理與防護(hù)技術(shù)手段有了較大改善。今后可以建立類似于數(shù)字城市、智慧城市的數(shù)字礦區(qū)、智慧礦區(qū)等模型系統(tǒng)，便于我們對礦區(qū)的開發(fā)與治理，對滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警、防護(hù)、治理有很好作用。