丁孝銀,肖昭然

（1.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001；2.河南省糧油倉(cāng)儲(chǔ)建筑與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

三維激光掃描儀可以快速獲取毫米級(jí)采樣間隔，獲得實(shí)體表面的三維坐標(biāo)，并通過(guò)“點(diǎn)云”的數(shù)據(jù)形式，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，可以實(shí)現(xiàn)“實(shí)景復(fù)制”，大大改善了傳統(tǒng)以單點(diǎn)監(jiān)測(cè)地形變化的方法，具有速度快、監(jiān)測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)。對(duì)此方面的研究還有待進(jìn)一步深入，因此，本文基于工程實(shí)例，對(duì)基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測(cè)做了如下分析。

1 工程概述

某快速通道新建工程K64+214～K78+362段，施工工期為2015年3月到2017年6月，其中北側(cè)邊坡在2016年8月完成支護(hù)，南側(cè)邊坡在2017年4月開始正常，預(yù)計(jì)在2018年6月完成支護(hù)。在進(jìn)行邊坡支護(hù)處理過(guò)程中，正直雨季大不但增加了支護(hù)的難度，而且上部土體發(fā)生了多次滑坡現(xiàn)象，對(duì)道路施工安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在具體邊坡支護(hù)中采用三維激光掃描儀對(duì)地形變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為支護(hù)方案的制定提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 三維激光掃描儀組成和系統(tǒng)原理

2.1 三維激光掃描儀組成

整個(gè)三維掃描系統(tǒng)由以下幾部分共同組成：1臺(tái)激光測(cè)距儀；一組激光反射棱鏡；1臺(tái)水平方位角控制器；1臺(tái)高度角偏轉(zhuǎn)控制器；1臺(tái)數(shù)據(jù)輸入輸出處理器；1臺(tái)數(shù)碼相機(jī)。

2.2 三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)原理

三維激光掃描儀在地形變化監(jiān)測(cè)中，通過(guò)激光測(cè)距儀發(fā)射出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，通過(guò)反射棱鏡反射后，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收器當(dāng)中，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，即可得出地形變化的實(shí)際情況，具體如圖1所述。

圖1 三維激光掃描儀定位原理

為計(jì)算P到三維激光掃描儀之間的距離S，通過(guò)高度角偏轉(zhuǎn)控制器先測(cè)量出射出激光的橫向和縱向掃描設(shè)觀測(cè)角度α、β。其中三維掃描儀為自定義坐標(biāo)，X軸進(jìn)行橫向掃描，Y軸進(jìn)行縱向掃描，并與X軸相互垂直。然后借助三角函數(shù)，就可計(jì)算P點(diǎn)的三維坐標(biāo)標(biāo)為：

在地形變化監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)用三維激光掃描儀的方法是通過(guò)把兩期數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM，再對(duì)量取的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位的對(duì)比，獲得二者的差異，在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，應(yīng)用到的主要軟件是RiSCAN PRO軟件，兩期數(shù)據(jù)表面模型之間的距離，通過(guò)此種方法就可以得到，二者之間的距離值，就是兩期表面之間的差距，就可以的得到地形變化的具體變形量。

3 三維激光掃描儀在地形變化監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

3.1 測(cè)量方案的制定

就案例工程而言，采用了三維激光掃描儀來(lái)對(duì)邊坡變形量進(jìn)行進(jìn)行全方位掃描，由于北側(cè)邊坡支護(hù)已經(jīng)完成，只有南側(cè)邊坡在進(jìn)行施工。沉降位移變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，南坡和北坡的距離在60～65m之間，在進(jìn)行地形變化監(jiān)測(cè)時(shí)，為保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在案例工程的南坡設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在和該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的北坡布置3個(gè)固定墩臺(tái)。在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，把三維激光掃描儀固定的墩臺(tái)上，監(jiān)測(cè)三次，就可以獲得被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

由于邊坡在支護(hù)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，為降低振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)的影響，只能在工人休息時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理完成后，在同樣的位置和角度再利用水準(zhǔn)儀和全站儀相互結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式對(duì)南坡的待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)。以全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量的結(jié)果，來(lái)確定三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)地形變化的具體情況為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量周期要控制在20天左右，然后把三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果表明，三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)地形變化誤差在允許范圍內(nèi)，三維激光掃描儀可以在該工程中得到應(yīng)用。

3.2 獲取后視點(diǎn)定向坐標(biāo)的方法

在三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)地形變化時(shí)，為確保每次監(jiān)測(cè)外界數(shù)據(jù)的一致性，在監(jiān)測(cè)時(shí)，靶標(biāo)要固定在其他兩個(gè)墩臺(tái)上，作為參考依據(jù)。避免發(fā)生因?yàn)橥饨缫蛩氐淖兓?，影響地形變化監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法

在一次測(cè)量中，把三維激光掃描儀先固定墩臺(tái)上，通過(guò)拍照的方法獲得靶標(biāo)的具體位置，對(duì)分辨率在30m×1mm以下的區(qū)域進(jìn)行精掃。然后在拍照南側(cè)邊坡的具體位置，對(duì)分辨率在10m×5mm下的區(qū)域進(jìn)行掃描。就可以獲得相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再采用全站儀和水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)量南側(cè)邊坡三維激光掃描儀位置布設(shè)的測(cè)點(diǎn)，并對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位記錄，在具體測(cè)量時(shí)，要每隔半月就測(cè)量一次，共測(cè)量6～8次，然后取平均值作為地形變化監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析

把測(cè)量到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在RiSCAN PRO軟件中進(jìn)行預(yù)處理，把噪聲點(diǎn)全部去除，就該案例工程而言，由于測(cè)量次數(shù)比較多，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也比較多，但該工程南坡表明特征大體上基本相同，如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較多，則會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的難度，但對(duì)精度的提升影響不大，所以在RiSCAN PRO軟件中要去除掉大約80%的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

提取南側(cè)邊坡測(cè)點(diǎn)周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)記錄，在此過(guò)程應(yīng)用到的主要公式是：公式中（x0，y0，z0） 表示上次測(cè)量值，（x，y，z）則為RiSCAN PRO軟件中的計(jì)算值。

準(zhǔn)儀測(cè)量獲取測(cè)點(diǎn)的沉降變化數(shù)值z(mì)，全站儀測(cè)量獲取測(cè)點(diǎn)水平坐標(biāo)x，y，再利用公式計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于上次測(cè)量結(jié)果的位移量，得到測(cè)點(diǎn)的變化值。結(jié)果如表1所示。

表1 三維激光掃描儀6次測(cè)量結(jié)果測(cè)點(diǎn)周圍邊坡的平均變化量

從表1中可以看出，該案例工程中三維激光掃描儀每次測(cè)量位移變化量在0～4mm，累計(jì)變化量在-3～-10mm之間。地表的主要變形為沉降變形，施工過(guò)程中，邊坡變形比較明顯。三維激光掃描儀測(cè)量誤差在2mm左右，且只有一次的測(cè)量誤差為4mm，可看做偶然誤差。三維激光掃描儀工程測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，值得大范圍推廣應(yīng)用。

4 三維激光掃描儀應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)是目前地形變化監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的典型代表，而且相應(yīng)的單點(diǎn)就顯得并不是非常重要，雖然傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量也能很好的反映地形變化的各項(xiàng)信息，但對(duì)于單點(diǎn)的變形信息則難以準(zhǔn)確給出，主要原因是傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量很難在前后兩期測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間找到我們平時(shí)所說(shuō)的同名點(diǎn)。所以，通過(guò)應(yīng)用三維激光的掃描點(diǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，插值就可以獲得很多同名點(diǎn)，這樣就可以比較我們感興趣的任何一點(diǎn)，這樣，我們就解決了點(diǎn)云上任何一點(diǎn)的形變值。

使用最小二乘方法擬合、三次樣條差值擬合等數(shù)學(xué)方法對(duì)曲線進(jìn)行擬合。我們?cè)跀M合的曲線y=f（x），x每間隔1cm取一個(gè)變形點(diǎn)，這樣就可以得到線上每一個(gè)點(diǎn)的變形，達(dá)到我們線變形的研究目的。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘及方案的制定、控制測(cè)量、野外數(shù)據(jù)的采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理（點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪、平滑、精簡(jiǎn)、建模）。

三維激光掃描儀在我國(guó)的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了10年，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和研究，各項(xiàng)技術(shù)愈發(fā)先進(jìn)，再加上各種新技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)快速發(fā)展，三維激光掃描儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各大領(lǐng)域。測(cè)量的精度也在不斷提升，通過(guò)給各項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，各項(xiàng)數(shù)據(jù)后期處理的越來(lái)越簡(jiǎn)單，逐步實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化、準(zhǔn)確化。但三維激光掃描儀在應(yīng)用時(shí)，需要基于激光技術(shù)的傳播和人力來(lái)搭架，才能獲得相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)由硬件和配套軟件組成，軟件方面的不足也在很大程度上影響了三維激光掃描儀的精度。而多數(shù)情況下，三維激光掃描儀在地形變化監(jiān)測(cè)過(guò)程具有很多優(yōu)勢(shì)，再加上各種信息的不斷完善，三維激光掃描儀技術(shù)會(huì)在未來(lái)的地形變化監(jiān)測(cè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例，深入分析了基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果表明，在地形變化監(jiān)測(cè)中，通過(guò)應(yīng)用基于三維激光掃描儀可大幅度提升地形變化監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。在工程應(yīng)用當(dāng)中，可根據(jù)工程需要，依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整掃描儀測(cè)量分辨率和工作距離，以便達(dá)到工程要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐加盼,王秋霞,鄧羽松等.基于三維激光掃描技術(shù)的花崗巖風(fēng)化土體侵蝕表面特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2016,30(2):14-19.

[2]鄭欣.三維激光掃描技術(shù)在水利工程壩址地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].廣東水利水電,2017，(11):46-49.

[3]劉希林,張大林,唐川.基于三維激光掃描的崩崗溝道侵蝕與坡向發(fā)育及其侵蝕量計(jì)算[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2016，(5):914-923.

[4]褚宏亮,殷躍平,曹峰等.大型崩滑災(zāi)害變形三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2015,42(3):128-134.

[5]吳彩保,陳西江,吳浩.顧及最佳搜索鄰域的三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2016,38(9):72-76.