基于三维激光扫描的边坡变形数据提取研究

杨　帆，李龙飞，吴　昊

(辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)



基于三维激光扫描的边坡变形数据提取研究

杨帆，李龙飞，吴昊

(辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)

摘要：以北京市门头沟区尾矿边坡为例，运用三维激光扫描技术对尾矿边坡进行研究。通过对不同时段采集的点云数据处理，形成相应时段尾矿边坡三维模型。采用等高线比较、三维质检软件比较，提取出边坡变形数据。三维激光扫描技术使滑坡体测绘从传统的GPS或者全站仪单点数据采集变成连续密集的自动获取海量点云数据，增加了测绘信息量。三维激光扫描技术不仅提高测量精度和数据采集速度，且使工作效率实现大幅度的提高。

关键词：三维激光扫描技术；点云；边坡；变形监测

我国是一个地质灾害频发的国家，滑坡是地质灾害中最为常见的一种，关于边坡变形监测的研究工作尤为重要，研究成果也直接关系到国家的利益。近些年，关于三维激光扫描技术的研究成果很多，三维激光扫描技术也应用于边坡的变形监测之中。在国外欧美的扫描仪精度已经达到了微米级别，而且为真彩色扫描，边坡信息可以很完整的被表达出来。在国内三维激光扫描技术快速地应用于各种工程中，在2008年汶川地震后，三维激光扫描技术被应用于防治地质滑坡。2011年三维激光扫描技术被应用于沙丘变形监测，用于防治沙尘预报。

边坡变形监测工作可以分为两类：①点式监测(GPS、全站仪等)；②面式监测(摄影测量与遥感、Insar、激光扫描测量等)。点式测量精度相对高，但数据少，有局限性。面式监测数据量庞大，更为全面地反映了边坡变形，而且自动化程度高。相对于其他传统的监测方法，地面三维激光扫描技术更为有效，方便。

1三维激光扫描技术原理与方法

1.1三维激光扫描仪概况

三维激光扫描仪主要包含4个系统，其中包括：激光测距扫描系统、支架系统、数字摄影测量系统、仪器内部校正系统。

三维激光扫描仪的工作过程与原理：发射体触发发射激光脉冲，激光脉冲通过两块有序快速旋转的反光镜，接着按一定次序扫过目标区域。因为三维激光扫描仪有不同的种类，所以其工作原理也不尽相同，三维激光扫描仪大体来说有3种：①脉冲测距法；②相位测量测距法；③激光三角测距法。通过时间计算相关距离，除此之外编码器还会量测脉冲角度，经过计算获得目标的坐标。

三维激光扫描仪用脉冲从发射到接收的时间乘以传播速度求得目标与仪器的距离Sp，然后再根据时钟编码器在同一时间测量出每条脉冲的水平扫描角度φ和竖直扫描角度ω。即可以得到点的三维坐标

1.2数据处理方法

获得点云数据之后为得到好的三维模型需要对点云数据进行处理，处理过程包括数据配准、数据去噪和数据拼接。点云数据配准是把不同测站扫描得到的点云数据统一到同一个坐标系统下。点云数据去噪是将没用的点云数据去掉保留有用数据的过程，目的是为了生成准确的三维模型。点云数据拼接将不同站位的数据拼接到一起生成完整点云数据的过程。在数据处理过程之中，点云拼接最为关键，点云拼接有几种方式，不同的方式会影响拼接精度。

2三维激光扫描仪数据采集过程及点云数据处理与建模

2.1准备工作，选择合适的扫描仪和必要的工具

所用三维激光扫描仪具体参数如表1所示。

2.2对扫描区域进行踏勘

根据地形条件初步定出设站位置。此次扫描对象为门头沟一个尾矿的边坡，环境较为复杂。为保证数据的完整性，同时为了避免数据重叠，总共设6站，每一测站布设4～6个反射片(反射片其中心是直径为2 mm的特殊材质的激光反射点)。反射片位置必须稳固，不易移动。用GPS测出第一个测站每一个反射片的中心坐标。最后对监测区域进行高精度扫描。相隔一个月(第二次扫描前一天有雨)，使用相同的仪器，设置同样的精度，用同样的方法对监测区域进行第二次扫描。

表1　Riegl VZ400参数(来自Riegl公司)

2.3点云数据处理及建模

分别对第一次扫描过程和第二次扫描过程的点云数据进行处理。点云数据处理包括数据配准、数据去噪和数据拼接。本实验所用软件为Cyclone8.0。数据配准主要是根据第一测站的精准的大地坐标，把几个反射片中心坐标导入到Cyclone8.0中，使第一测站是具有大地坐标的测站。数据去噪过程是把非边坡部分去掉，在实验中非边坡部分主要包括电线杆、房子和树木，最后用软件进行拼接。根据在扫描过程中放置的反射片的中心进行点云的拼接。拼接过程中必须保证每两个测站有3个以上的公共点。拼接的误差可以在Cyclone中的registration窗口中可以查询到，若registration窗口中误差较大要及时调整拼接公共点，若registration窗口中误差较小但拼接效果不好，此时需要重新设置反射片位置，保证最少有3个反射片构成的空间三角形面积适中，空间三角形面积过大或者过小都会影响到拼接结果。另外拼接过程中，需要尽量使每两个测站都有公共的反射片，这样拼接数据量就会变大，约束条件也会多。最终拼接结果如图1、图2所示。

图1　第一次扫描结果

图2　第二次扫描结果

3边坡变形信息提取

3.1提取两次扫描的等高线数据

本文将扫描点云去噪，然后在cyclone软件中

进行抽稀，抽稀的目的是为降低运算量，接着把点云生成mesh，最终用根据三维mesh模型进行插值运算，找到高程相同的点，连线生成等高线。点云数据量巨大可以很完全地表达边坡的表面特征，而传统等高线生成所利用的数据较少，三角网插值误差较大，一些边坡的信息并不能由传统等高线来表达出来。利用点云等高线生成方法相对传统等高线生成方法精度大幅度提高。实验数据中经过抽稀得到的数据，点平均间距0.5 m，相对于传统测量方法，有无可比拟的优势。

根据点云生成的等高线密度很高，如图3、图4所示。可以很精细地表达地形特点、地质的构造形态和断层发育情况及其在空间的延伸变化规律。高密度的等高线是分析、判断、预测地质构造形态及规律，编制地质剖面图的基础材料。

3.2用三维质检软件提取变形信息

为了更为直观地得到边坡的变形信息，实验使用了Geomagic Qualify软件，十分直观地对两个三维模型进行了对比。以第一次扫描模型当成参考对象，第二次扫描当成结果对象。用不同的颜色代表不同的变形值，正值代表增大，负值代表减小，如图5所示。

图3　第一次扫描等高线

图4　第二次扫描等高线

图5　由qualify产生的边坡变形信息

4结束语

本文研究了基于三维激光扫描技术的从点云信息中提取边坡变形信息的理论与方法。应用点云处理软件cyclone对点云进行了处理与封模，并且生成了高密度的等高线。应用三维质检软件geomagic qualify对变形信息进行了三维可视化的提取。实验结果显示，三维激光扫描技术应用于边坡变形监测的巨大优势。目前三维激光扫描技术还处于一个发展阶段，有很多问题需要去解决，但是越来越多的事实证明三维激光扫描技术的前景会越来越宽广。

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[责任编辑：刘文霞]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.001

收稿日期：2015-06-02

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50604009)；辽宁省“百千万人才工程”人选资助项目(2010921099)

作者简介：杨帆( 1972-)，男，教授，博士.

中图分类号：TP751

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)10-0001-04

Research on the data extraction method of slope deformation monitoring based on 3D laser scanning technology

YANG Fan，LI Longfei，WU Hao

(Schhol of Mapping and Geographic Sciences,Liaoning Technical Universit，Fuxin 123000，China)

Abstract：This paper takes the tailings slope of Mentougou District of Beijing City as an example，and studies the tailing slope by using 3D laser scanning technology.By processing the point cloud data of different time，the 3D model of the tailings slope is formed.The deformation data of the slope is extracted by comparison of the contour and 3D quality software.3D laser scanning technology makes the landslide mapping turn from the single point data of traditional GPS or total station instrument data acquisition into automatic acquisition of intensive data,which can increase the amounts of information in surveying and mapping.The 3D laser scanning technology not only improves the precision and speed，also the work efficiency is greatly improved.

Key words：3D laser scanning technology;point cloud;slope;deformation monitoring