基于激光点云的滑坡体三维模型构建

罗婷婷 徐泮林 隋 瑜

（1、山东无形信息技术有限公司，山东 泰安271000 2、山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛266000）

滑坡是山区最常见的山地灾害之一，分布广、危害大，常给山区交通、能源、工矿、城镇以及水电建设造成极大危害，且滑坡灾害具有较强的隐蔽性。随着三维激光扫描技术的发展日趋成熟，利用该技术能够有效地发现存在的安全隐患。

三维激光扫描技术属于非接触测量，速度快、精度高，对滑坡体的扫描可采集到其表面高密度海量的点云数据，进行一系列的后处理能得到滑坡范围的完整变形信息并建立三维模型，基于两期或多期海量点云数据所构建的三维模型对比，从而掌握滑坡体整体的变形规律[1]。

1 三维激光扫描系统及点云数据

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架及系统配套软件构成。三维激光扫描仪又由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD 相机及软件等组成。测距设备技术的核心有激光无反射棱镜长距离快速测距技术和空间点阵扫描技术。控制反射棱镜的高速转动使激光束以小角度间隔连续发射，记录每束激光发射时的回波反射强度值和波形发生的相位变化，确定扫描中心到地表采样点的扫描角度和斜距，计算出扫描中心和采样点的相对空间位置关系，实现对地物表面信息的高密度的数据采集。点云的主要特点[2]有：数据量大、密度高、带有扫描物体光学特征信息、立体化、离散性、可量测性、非规则性等，这些特点使三维激光扫描数据得到十分广泛的应用，也使得点云数据处理变得十分复杂和困难。

2 三维模型构建方法对比

2.1 Geomagic Studio 软件的主要功能[2]：点云的处理；多边形模型的构建、修改和子网格模型的生成对网格的参数化和Bezier 或NURBS 曲面拟合；在建模完成后可以根据点云模型对建模结果做出精度评价等。

2.2 3D Max 软件的主要特点[3]：操作简单、易上手；三维数据处理功能强大、扩展性好；模型功能强大，动画方面有较大优势，插件丰富，制作的模型效果非常逼真。

2.3 HyperMesh[4]具有强大的有限元前期处理功能，提供高质量高效率的网格划分技术，可以完成杆梁、板壳、实体网格划分，能够提供交互式可视环境帮助应用者建立各种复杂的有限元模型。自动网格划分模块提供一个智能的格网划分工具，可调整网格划分算法、网格密度、单元变化趋势等网格划分参数。HyperMesh 提供有限有限元网格变形功能，支持基于有限元网格的快速变形修改，无需修改几何模型。

2.4 FLAC3D[5]是一个三维有限差分软件，在FLAC 基础上进行了扩展开发，可用交互方式从键盘输入命令或写成命令文件来驱动。FLAC3D 能模拟计算三维岩、土体等介质中工程结构的受力与变形形态。FLAC3D 有几个特点：对模拟塑性破坏和塑性流动采用“混合离散法”；采用动态运动方程，模拟不稳定过程中不存在数值上的障碍；采用中等容量的内存求解多单元结构，模拟大变形问题不消耗更多的计算时间。

3 案例分析

3.1 滑坡体点云获取

3.1.1 工作路径的选择。为提高数据获取的质量，扫描工作确保不受到地理环境因素的干扰；精简站点的布设次数，以减少坐标转换误差累计；将工作路径与测量控制网或GPS 基准点连接，对扫描数据的点位坐标可靠性进行测量控制。

3.1.2 扫描站点的选取。为保证扫描仪在有效工作距离内能够获取足够密度的地物表面采样点，相邻两站之间要有至少15% 的重叠度，点云配准有足够的起算数据；标靶的位置分布要均匀合理，标靶的布设不能在一个平面内，以免配准失效，降低配准系统误差可能性。

3.1.3 扫描参数的设置。兼顾场景中不同部分的扫描需求，根据地物的类别和表面层次信息的丰富程度，进行扫描区域、扫描采样间隔的设置。对于精美的石窟或者石刻等古迹，要以尽可能小的点位间隔进行详尽记录。对于层次信息丰富的场景，可在取景框中同时分别选择精细扫描和快速扫描，提高工作效率。

3.2 滑坡体三维模型的构建

3.2.1 基于Geomagic Studio 的初级模型构建

首先，用CloudCompare 软件将配准、去噪、统一化处理和抽稀后的三维激光扫描点云数据的.las 格式文件转换为Geomagic Studio 能识别的.txt 格式，导入Geomagic Studio 对点云数据进行编辑，提取出山体滑坡部分并进行统一采样格式、降噪、封装处理。

其次，对点三角网模型进行处理。通过网格医生对多边形网格进行修复，去除一些比较突出、尖锐的钉状物，对封装模型进行填充、修补。破洞填补工作量最大，是影响建模质量的关键环节。对填充、修补后的模型再进行生成流形模型处理，删除模型中的非流形三角形，保证模型能够进行后续模型处理。

图2 滑坡体NURBS 曲面初级模型

最后，对流形模型进行松弛和简化处理，使用更少数量的多边形来表示模型载体，可以基于三角形数量或者公差限制来简化多边形。通过编辑轮廓线、曲率、抽壳，创建曲面片，并对曲面进行编辑来创建滑坡体的较为理想的NURBS 曲面，完成Geomagic studio 内的初级模型逆向构建，输出一个.igs 和一个.dxf 文件。

3.2.2 基于3D Max 对初级NURBS 曲面模型进行完善

将.dxf 格式文件导入3D Max，将曲面转换为可编辑多边形，因导入的.dxf 文件中存在三角格网连接断点，对点层级需要进行修复和焊接工作。设置相机参数、光源、物体材质，调整贴图并赋予物体UVW 贴图尺寸。通过Photoshop 对模型进行调色加上阴影，生成一个完整的滑坡体三维模型，如图3 所示。

图3 模型渲染成果

3.2.3 基于HyperMesh 对模型进行有限元编辑处理，生成有限元模型

将.igs 模型文件导入HyperMesh，选用Geomagic studio 进行有限元的Mesh 模型建立，对模型的材料、截面、实常数、单元类型等进行简要编辑，如图4 所示。

图4 编辑后的有限元模型

将有限元模型输出为能被ANSYS 识别的.cdb 格式，并导入ANSYS，利用ANSYS 软件与FLAC3D 的接口功能将模型导入FLAC3D，实现FLAC3D 数值模型的建立，结果如图5 所示。

图5 基于FLAC3D 的滑坡体模型

结束语

在引入三维激光扫描技术后，我们可以利用三维激光扫描获取的海量点云数据，通过Geomagic studio、3D Max、HyperMesh 等逆向工程技术软件，便捷、高效地建立复杂的三维滑坡体模型，再结合FLAC3D 软件平台进行数值模型的建立，从根本上解决了传统DEM模型对滑坡体实体反映不清晰、对滑坡体稳定性分析效率低下等一系列问题，实现了通过模型对滑坡体这一地质灾害的“可视、可算”一体化的目的，对滑坡这一地质灾害的治理与防护技术手段有了较大改善。今后可以建立类似于数字城市、智慧城市的数字矿区、智慧矿区等模型系统，便于我们对矿区的开发与治理，对滑坡、崩塌等地质灾害的预警、防护、治理有很好作用。