摘 要：水利水電工程邊坡除經(jīng)受地震和降水等自然力作用外，還要經(jīng)受水工建筑物、庫水、泄洪霧化水等工程作用。工作狀況、作用機制及作用效應都較復雜，加之超高工程的邊坡治理工作經(jīng)驗也不多，導致穩(wěn)定控制的難度很大。文章研究的是將三維激光掃描技術(shù)應用于邊坡位移監(jiān)測，并利用其配套的cyclone數(shù)據(jù)處理軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理，從而得到結(jié)果。對某壩邊坡進行位移變形監(jiān)測，通過監(jiān)測來掌握崩塌、滑坡的變形特征及規(guī)律，使邊坡的動態(tài)監(jiān)測研究向著自動化、智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，為邊坡的穩(wěn)定性評價、防治工程設(shè)計和滑坡治理提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水利工程；三維激光掃描技術(shù)；點云數(shù)據(jù)處理；邊坡；位移監(jiān)測

引言

近十年來，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和對清潔能源強大需求，西南地區(qū)水能開發(fā)呈現(xiàn)加速的勢頭，一批大型水電工程相繼開工建設(shè)[1]。然而，水能資源豐富的西南地區(qū)地質(zhì)條件極其復雜，該地區(qū)河谷呈V字形，谷坡陡峻，巖體卸荷強烈，地震烈度高，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，岸坡穩(wěn)定性差；水電工程規(guī)模巨大，各類工程建筑物因布置需要，不可避免地實施開挖形成大量邊坡工程，對于200至300m級的高壩工程，一般人工開挖邊坡將達到300至500m，開挖邊坡上部還可能存在數(shù)百米至千余米自然邊坡，工程邊坡穩(wěn)定問題十分突出。因此，邊坡穩(wěn)定控制成為水電工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，影響和制約著水力資源開發(fā)和水電工程建設(shè)[2]。

三維激光掃描儀有以下幾個特點：（1）攜帶方便，操作簡便。大小體積與全站儀相仿，配合三角支架即可進行工作。工作所需空間小，適用于高山峽谷、地勢險要的工程項目。又由于其自動化程度高，操作簡便，也可遠程控制，所以適用于惡劣天氣的采集工作。（2）采集速度快，掃描范圍大。通常的地面掃描儀的掃描速度可達每秒數(shù)千點以上，某些型號的可達每秒數(shù)十萬，完全可以做到隨施工進度進行及時的數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)對施工質(zhì)量進行控制，一般三維激光掃描儀均可達到全景掃描，所以特別適合大型工程測量。（3）掃描精度高。大都可達毫米級，足以滿足工程測量需要[3]。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

作為三維激光掃描技術(shù)的載體，三維激光掃描儀并不復雜，通常一臺激光測距系統(tǒng)、一組反射棱鏡、水平方位偏轉(zhuǎn)控制器、高度角偏轉(zhuǎn)控制器、數(shù)據(jù)輸出處理器構(gòu)成了三維激光掃描儀，可以直接獲得目標物的影像[7]。完成對物體的全方位掃描是通過儀器自身的傳動裝置進行掃描運動而實現(xiàn)的，并通過自身的傳感器及記錄裝置完成點云數(shù)據(jù)的讀取及存儲。其工作模式是通過儀器內(nèi)部的激光脈沖二級管發(fā)射的脈沖激光，按照從左到右、先上后下的順序射向被測物體，并接收被測物體反射回來的部分激光。儀器可以根據(jù)反射回來的部分激光信息賦給被測物體RGB信息，以便于區(qū)分不同的物體，同時記錄脈沖激光從發(fā)出到返回接收所經(jīng)歷的時間，這樣便可以計算出儀器原點到物體間的距離S，然后利用儀器記錄的激光束在水平方向與X軸的夾角？琢和激光束在豎直方向與水平面的夾角？茲，根據(jù)公式（1）便可以計算出被測物體的三維坐標。不過此時所求的坐標是在三維激光掃描系統(tǒng)自定義的坐標系統(tǒng)里。

（1）

1.2 點云獲取

地面三維激光掃描儀是按照線方式采集數(shù)據(jù)的，掃描時采用逐行的方式來獲取空間點的數(shù)據(jù)，掃描得到的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一種矩陣形式，每個矩陣單元的值為獲取的目標物表面采樣點的三維坐標。由于空間點的坐標反映了視點與控制點的距離。因此，掃描所得到的圖像稱為深度圖像。圖2為掃描獲取數(shù)據(jù)的示意圖。

2 點云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)能夠在幾秒內(nèi)獲取目標物體成千上萬個點云數(shù)據(jù)信息，而高邊坡開挖施工場地大，作業(yè)人員、施工機械、運輸機械較多，難免會對目標區(qū)域產(chǎn)生遮擋。同時現(xiàn)場由于爆破、刮風等因素，引起灰塵較大，也會對數(shù)據(jù)采集工作產(chǎn)生一定的影響。所以要對采集的數(shù)據(jù)進行處理，刪除不屬于目標物體的形態(tài)表征點，降低誤差干擾點的影響，壓縮數(shù)據(jù)使用量等等。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)降噪。

2.1 數(shù)據(jù)處理

（1）激光點云生成。將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線或無線等方式導入工作電腦中，利用萊卡自帶軟件cyclone進行數(shù)據(jù)讀取，同時為數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)。（2）選擇目標數(shù)據(jù)區(qū)域。進行掃描所得到的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，并且數(shù)據(jù)里面還存在一些無關(guān)的點云，這樣就大大增加了點云的數(shù)量。所以要將這些無關(guān)的點進行刪除，以減小數(shù)據(jù)的運算量。本次無關(guān)點的刪除是采用cyclone軟件的刪除功能進行的，并對每個掃描區(qū)域建立圖層，為后期數(shù)據(jù)處理提供便利。（3）識別標靶并進行配準和拼接。在野外掃描時，一般為達到掃描數(shù)據(jù)完整的要求，往往設(shè)置幾個測站，同時每兩個站之間都要設(shè)置三個以上的標靶，并保證標靶不在同一條直線上，掃描每站時要確定能掃到每個標靶，為數(shù)據(jù)拼接做準備。利用萊卡自帶軟件cyclone進行數(shù)據(jù)拼接一般有三種方法：基于標靶的拼接、基于點云的拼接、基于已知點的拼接。根據(jù)不同的工作環(huán)境可以選擇不同的數(shù)據(jù)拼接方法。（4）冗余數(shù)據(jù)的處理。拼接所得到的目標點云數(shù)據(jù)由于存在數(shù)據(jù)重合的現(xiàn)象，所以要對數(shù)據(jù)進行抽稀處理，相當于進行數(shù)據(jù)的壓縮。并且在目標點云周邊會存在一些噪聲點，要利用Geomagic軟件或其他軟件刪除無用孤點，確保只留下目標的掃描點，提高數(shù)據(jù)的真實性。（5）多邊形化點云及修補模型。將處理好的點云數(shù)據(jù)進行表面建模，形成一個近似原目標的外觀模型。由于掃描或數(shù)據(jù)壓縮過程中可能存在數(shù)據(jù)的缺失，使得模型的部分區(qū)域精度不高，從而得到的模型也有缺陷，所以要對模型進行修復。（6）數(shù)據(jù)讀取。模型建立以后可以對其進行距離的量測、體積的計算以及特征線的簡單提取，并且可以與原點云數(shù)據(jù)進行比對，分析模型的質(zhì)量。

2.2 點云數(shù)據(jù)去噪濾波

一般情況下，針對噪聲產(chǎn)生的不同原因，采用相應的方法，達到消除噪聲的目的。對一般的噪聲，從調(diào)整掃描和掃描物之間的距離來解決；對系統(tǒng)固有的噪聲可以通過調(diào)整掃描的參數(shù)或利用一些平滑或濾波的方法過濾掉。

文章利用有序點云濾波方式進行去噪。高斯濾波、中值濾波或是均值濾波是幾種經(jīng)典的平滑濾波方法。其濾波窗口和效果如圖3所示。

3 安全監(jiān)測模型

邊坡是一個較為復雜的系統(tǒng)，影響邊坡穩(wěn)定的因素相對較多，將預處理及除噪了的點云數(shù)據(jù)輸入到cyclone軟件中，利用modeling模塊進行三維重建。對每一期的掃描數(shù)據(jù)都進行以上濾波、去噪、拼接、三維重建處理，然后將每一個時期的模型結(jié)果直接進行疊加，利用模塊的監(jiān)測功能，對不同時期的點云數(shù)據(jù)的差別進行分析，對誤差圖用不同的顏色進行分類，從來得出邊坡的變形趨勢。

4 結(jié)束語

三維激光掃描系統(tǒng)操作簡單、安全實用，監(jiān)測結(jié)果明顯易懂。因此，非常適合使用在水電工程的邊坡監(jiān)測項目中。同時它能夠快速、全面、海量的獲取原始點云數(shù)據(jù)，并利用點云數(shù)據(jù)，完整高精度的重建被測實體。采用非接觸的數(shù)據(jù)采集方式，能夠遠距離、安全地開展工作任務(wù)。其數(shù)字自動化操作平臺可以節(jié)省大量的人力物力，使資源利用率更高。三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展也推動著測量技術(shù)的發(fā)展，其可以對任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間進行掃描操作，并直接將各種大型的、復雜的、不規(guī)則的、標準或非標準等實體或場景的三維數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可以進行各種后處理工作，為邊坡的穩(wěn)定性評價、防治工程設(shè)計和滑坡治理提供決策依據(jù)。

參考文獻

[1]邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術(shù)應用于邊坡位移監(jiān)測[J].地理空間信息，2011（1）：68-70.

[2]蔚清.邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理方法比較及建模研究[D].合肥工業(yè)大學，2013.

[3]康永偉.車載激光點云數(shù)據(jù)配準與三維建模研究[D].首都師范大學，2009.

[4]潘志國，趙春菊，周宜紅，等.高拱壩邊坡開挖面質(zhì)量快速評定與實踐[J].水電能源科學，2014（10）：67-69.

[5]劉耀儒，黃躍群，楊強，等.高拱壩與壩肩開挖邊坡的相互作用研究[J].巖石力學與工程學報，2010（S2）：4038-4042.

[6]許博.基于GPS的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].沈陽航空航天大學，2013.

[7]賈明濤，王李管，潘長良.基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊坡位移可視化分析系統(tǒng)[J].巖石力學與工程學報，2003（8）：1324-1328.

[8]曾成.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工程建模和計算的研究與實踐[D].武漢大學，2005.

[9]胡超，周宜紅，趙春菊，等.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的邊坡開挖質(zhì)量評價方法研究[J].巖石力學與工程學報，2014（S2）：3979-3984.

[10]陳曉雪.基于三維激光影像掃描系統(tǒng)的邊坡位移監(jiān)測預測研究[D].北京林業(yè)大學，2008.

[11]李緒武.基于三維掃描工程建模的面部整形點云數(shù)據(jù)處理方法研究[D].重慶大學，2013.

[12]宋勝武，徐光黎，張世殊.論水電工程邊坡分類[J].工程地質(zhì)學報，2012（1）：123-130.

[13]宋勝武，馮學敏，向柏宇，等.西南水電高陡巖石邊坡工程關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學與工程學報，2011（1）：1-22.

作者簡介：龍志（1989-），男，碩士研究生，研究方向：水利工程。