三维激光扫描技术在边坡工程中的应用

练浩

摘 要：我国是一个地质条件复杂，滑坡等自然灾害频发的国家。目前三维激光扫描技术作为一种新的监测手段已应用于边坡变形监测中，基于三维激光扫描技术的滑坡监测不仅可以精确、高效地采集边坡表面形态及结构面信息，而且降低了人力成本，保障了作业人员的安全性。本文详细阐述了三维激光扫描技术的工作原理，针对三维激光扫描技术在边坡监测中的作业流程及其优势与不足进行了详细研究。

关键词：三维激光扫描技术;边坡监测;作业流程

三维激光扫描技术，又称实景复制技术，可以完整、准确、快速地重建目标，获取原始测绘数据。由于点云中的每个三维数据都是直接获取的目标的实际数据，因此后处理的结果可靠度高[1]。三维激光扫描技术在边坡变形监测中，不仅能够迅速获取边坡坡体的数字化信息，而且可以直接建立边坡表面的三维立体模型。

1 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光扫描仪的工作原理本质上是激光测距，通过仪器记录目标物体反射回来的激光信息，从而快速建立目标物体的三维模型[2]。在扫描仪内，激光通过两个快速有序旋转的反光镜对划定范围开始扫描，通过计算激光脉冲往返的时间来确定目标距离，并利用编码器转换获得被测目标的三维精准坐标，再根据反射折回的激光强度确定目标的颜色信息。

2 边坡监测作业流程

2.1 原始数据采集

针对边坡现场的实际情况，采用Topcon-GLS-2000三维激光扫描仪，将边坡划分为两个测站进行扫描。基于边坡的实际长度，在其对面合适位置架设测站，每次相邻测站的扫描范围应有两到三成的重合率，以便在处理点云拼接时能够精准匹配。科学有效地选择测站点位，对提升监测精度、减少作业时间十分重要。

2.2 点云数据处理

点云数据处理主要按照图像划分、点云信息匹配、点云过滤和点云拼接四个步骤进行。

深度划分图像。按照区域分割方法，将点云图像划分成不同区域，可以提高点云数据进一步处理和分析的效率。

点云信息的匹配。点云信息匹配的目的是将点云坐标转换为绝对坐标（大地坐标系统）。常用的标识点匹配法流程：首先，基于动态分割层和空间坐标点距离处理第一副点云标识点并组成层嵌套，其次，将第二幅点云标识点与第一个幅点云进行匹配[3]。

点云过滤。扫描仪首先是垂直方向的线扫描，然后水平转动，再进行垂直方向线扫描，虽然扫描过程是规律有序的，但是获得的依然是较为散乱的点云数据，因此在建模之前需要对点云进行平滑处理[4]。此外，对于一些原始点云数据庞大的目标，为了提高工作效率，需要对点云数据进行简化处理，降低密度。

點云过滤的作用体现在两个方面：1）过滤噪声点;2）降低点云密度。点云数据滤波通常有高斯滤波法、平均滤波法和曲率滤波算法等。点云数据的精简处理只是减少了数据量，降低其点云密度，但是对点云数据本身没有做出改变。

点云拼接。多视点云拼接是点云数据处理的重要环节，即将不同测站扫描的点云数据通过坐标转换整合到统一的坐标系内，从而得到一个包含多次扫描点云数据的完整三维模型。现阶段，点云拼接方式主要采用使用靶标拼接和ICP算法等方法。

2.3 边坡变形监测分析

边坡变形监测分析就是将处理好的不同监测周期的点云数据通过软件进行叠加分析，对比每个点的位移量，从而得到边坡变形的相关数据。对边坡坡体进行多周期的扫描监测，经过处理得到不同周期完整的三维点云模型，再利用点云数据建立对应的DEM模型，通过叠加分析多期DEM模型得到其差分图，从而进行边坡变形的分析研究。

3 在边坡变形监测中的优势与不足

三维激光扫描技术作为远距离非接触测量的技术手段，相比较于传统的边坡监测方法，它实现了由“点”到“面”的突破，极大的提升了监测效率，降低了人力成本，减少了人为主观因素对监测结果的影响。并且由于其非接触测量的特性，在针对高陡边坡等不易攀爬或危险的环境中，对比传统手段，它占据了极大的优势，极大地保障了作业人员的生命安全。

虽然三维激光扫描技术的发展已经较为成熟，但其在边坡变形监测上依然存在一定的不足，主要表现在以下几个方面：

（1）受植被影响较大。因为三维激光扫描技术获取的是边坡坡面的形态信息，而激光脉冲无法穿透植被覆盖，导致滤波处理后的点云数据会形成空洞区域。

（2）受地形因素制约较大。在野外实际作业时，部分边坡无法在其对面找到合适观测站点，制约了三维激光扫描技术的使用。

（3）受激光功率影响较大。三维激光扫描仪的激光脉冲功率均在安全功率范围内，导致三维激光扫描仪的扫描距离受到制约，在部分露天采矿边坡中使用效果不佳。

4 结论

综上所述，三维激光扫描技术可以精准地获得边坡坡体表面的变形情况，提高监测效率和保障作业人员的安全性，虽然其依然存在一定的不足，但它依然为边坡监测提供了新的一种高效、可靠的监测手段。

参考文献：

[1]董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006（S2）：3629-3635.

[2]朱庆伟，马宇佼.基于三维激光扫描仪的建筑物建模应用研究[J].地理与地理信息科学，2014，30（6）：31-35.

[3]刘文龙，赵小平.基于三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究[J].金属矿山，2009（02）：136-138.

[4]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].江苏：南京理工大学，2006.

[5]侯洪臻.点云数据的预处理与曲面重建[D].北京：北京建筑工程学院，2010.