基于点云数据的水利工程边坡位移监测研究

摘 要：水利水电工程边坡除经受地震和降水等自然力作用外，还要经受水工建筑物、库水、泄洪雾化水等工程作用。工作状况、作用机制及作用效应都较复杂，加之超高工程的边坡治理工作经验也不多，导致稳定控制的难度很大。文章研究的是将三维激光扫描技术应用于边坡位移监测，并利用其配套的cyclone数据处理软件对点云数据进行处理，从而得到结果。对某坝边坡进行位移变形监测，通过监测来掌握崩塌、滑坡的变形特征及规律，使边坡的动态监测研究向着自动化、智能化、系统化的方向发展，为边坡的稳定性评价、防治工程设计和滑坡治理提供决策依据。

关键词：水利工程；三维激光扫描技术；点云数据处理；边坡；位移监测

引言

近十年来，随着我国经济快速发展和对清洁能源强大需求，西南地区水能开发呈现加速的势头，一批大型水电工程相继开工建设[1]。然而，水能资源丰富的西南地区地质条件极其复杂，该地区河谷呈V字形，谷坡陡峻，岩体卸荷强烈，地震烈度高，且地质结构复杂，岸坡稳定性差；水电工程规模巨大，各类工程建筑物因布置需要，不可避免地实施开挖形成大量边坡工程，对于200至300m级的高坝工程，一般人工开挖边坡将达到300至500m，开挖边坡上部还可能存在数百米至千余米自然边坡，工程边坡稳定问题十分突出。因此，边坡稳定控制成为水电工程建设成败的关键技术问题之一，影响和制约着水力资源开发和水电工程建设[2]。

三维激光扫描仪有以下几个特点：（1）携带方便，操作简便。大小体积与全站仪相仿，配合三角支架即可进行工作。工作所需空间小，适用于高山峡谷、地势险要的工程项目。又由于其自动化程度高，操作简便，也可远程控制，所以适用于恶劣天气的采集工作。（2）采集速度快，扫描范围大。通常的地面扫描仪的扫描速度可达每秒数千点以上，某些型号的可达每秒数十万，完全可以做到随施工进度进行及时的数据更新，实现对施工质量进行控制，一般三维激光扫描仪均可达到全景扫描，所以特别适合大型工程测量。（3）扫描精度高。大都可达毫米级，足以满足工程测量需要[3]。

1 三维激光扫描技术

1.1 三维激光扫描技术的工作原理

作为三维激光扫描技术的载体，三维激光扫描仪并不复杂，通常一台激光测距系统、一组反射棱镜、水平方位偏转控制器、高度角偏转控制器、数据输出处理器构成了三维激光扫描仪，可以直接获得目标物的影像[7]。完成对物体的全方位扫描是通过仪器自身的传动装置进行扫描运动而实现的，并通过自身的传感器及记录装置完成点云数据的读取及存储。其工作模式是通过仪器内部的激光脉冲二级管发射的脉冲激光，按照从左到右、先上后下的顺序射向被测物体，并接收被测物体反射回来的部分激光。仪器可以根据反射回来的部分激光信息赋给被测物体RGB信息，以便于区分不同的物体，同时记录脉冲激光从发出到返回接收所经历的时间，这样便可以计算出仪器原点到物体间的距离S，然后利用仪器记录的激光束在水平方向与X轴的夹角？琢和激光束在竖直方向与水平面的夹角？兹，根据公式（1）便可以计算出被测物体的三维坐标。不过此时所求的坐标是在三维激光扫描系统自定义的坐标系统里。

（1）

1.2 点云获取

地面三维激光扫描仪是按照线方式采集数据的，扫描时采用逐行的方式来获取空间点的数据，扫描得到的空间数据表现为一种矩阵形式，每个矩阵单元的值为获取的目标物表面采样点的三维坐标。由于空间点的坐标反映了视点与控制点的距离。因此，扫描所得到的图像称为深度图像。图2为扫描获取数据的示意图。

2 点云数据处理

三维激光扫描技术能够在几秒内获取目标物体成千上万个点云数据信息，而高边坡开挖施工场地大，作业人员、施工机械、运输机械较多，难免会对目标区域产生遮挡。同时现场由于爆破、刮风等因素，引起灰尘较大，也会对数据采集工作产生一定的影响。所以要对采集的数据进行处理，删除不属于目标物体的形态表征点，降低误差干扰点的影响，压缩数据使用量等等。数据处理包括数据预处理和数据降噪。

2.1 数据处理

（1）激光点云生成。将采集到的数据通过数据线或无线等方式导入工作电脑中，利用莱卡自带软件cyclone进行数据读取，同时为数据处理提供依据。（2）选择目标数据区域。进行扫描所得到的数据量是非常庞大的，并且数据里面还存在一些无关的点云，这样就大大增加了点云的数量。所以要将这些无关的点进行删除，以减小数据的运算量。本次无关点的删除是采用cyclone软件的删除功能进行的，并对每个扫描区域建立图层，为后期数据处理提供便利。（3）识别标靶并进行配准和拼接。在野外扫描时，一般为达到扫描数据完整的要求，往往设置几个测站，同时每两个站之间都要设置三个以上的标靶，并保证标靶不在同一条直线上，扫描每站时要确定能扫到每个标靶，为数据拼接做准备。利用莱卡自带软件cyclone进行数据拼接一般有三种方法：基于标靶的拼接、基于点云的拼接、基于已知点的拼接。根据不同的工作环境可以选择不同的数据拼接方法。（4）冗余数据的处理。拼接所得到的目标点云数据由于存在数据重合的现象，所以要对数据进行抽稀处理，相当于进行数据的压缩。并且在目标点云周边会存在一些噪声点，要利用Geomagic软件或其他软件删除无用孤点，确保只留下目标的扫描点，提高数据的真实性。（5）多边形化点云及修补模型。将处理好的点云数据进行表面建模，形成一个近似原目标的外观模型。由于扫描或数据压缩过程中可能存在数据的缺失，使得模型的部分区域精度不高，从而得到的模型也有缺陷，所以要对模型进行修复。（6）数据读取。模型建立以后可以对其进行距离的量测、体积的计算以及特征线的简单提取，并且可以与原点云数据进行比对，分析模型的质量。

2.2 点云数据去噪滤波

一般情况下，针对噪声产生的不同原因，采用相应的方法，达到消除噪声的目的。对一般的噪声，从调整扫描和扫描物之间的距离来解决；对系统固有的噪声可以通过调整扫描的参数或利用一些平滑或滤波的方法过滤掉。

文章利用有序点云滤波方式进行去噪。高斯滤波、中值濾波或是均值滤波是几种经典的平滑滤波方法。其滤波窗口和效果如图3所示。

3 安全监测模型

边坡是一个较为复杂的系统，影响边坡稳定的因素相对较多，将预处理及除噪了的点云数据输入到cyclone软件中，利用modeling模块进行三维重建。对每一期的扫描数据都进行以上滤波、去噪、拼接、三维重建处理，然后将每一个时期的模型结果直接进行叠加，利用模块的监测功能，对不同时期的点云数据的差别进行分析，对误差图用不同的颜色进行分类，从来得出边坡的变形趋势。

4 结束语

三维激光扫描系统操作简单、安全实用，监测结果明显易懂。因此，非常适合使用在水电工程的边坡监测项目中。同时它能够快速、全面、海量的获取原始点云数据，并利用点云数据，完整高精度的重建被测实体。采用非接触的数据采集方式，能够远距离、安全地开展工作任务。其数字自动化操作平台可以节省大量的人力物力，使资源利用率更高。三维激光扫描技术的快速发展也推动着测量技术的发展，其可以对任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则的、标准或非标准等实体或场景的三维数据完整的采集到电脑中，它所采集的三维激光点云数据还可以进行各种后处理工作，为边坡的稳定性评价、防治工程设计和滑坡治理提供决策依据。

参考文献

[1]邢正全，邓喀中.三维激光扫描技术应用于边坡位移监测[J].地理空间信息，2011（1）：68-70.

[2]蔚清.边坡监测数据预处理方法比较及建模研究[D].合肥工业大学，2013.

[3]康永伟.车载激光点云数据配准与三维建模研究[D].首都师范大学，2009.

[4]潘志国，赵春菊，周宜红，等.高拱坝边坡开挖面质量快速评定与实践[J].水电能源科学，2014（10）：67-69.

[5]刘耀儒，黄跃群，杨强，等.高拱坝与坝肩开挖边坡的相互作用研究[J].岩石力学与工程学报，2010（S2）：4038-4042.

[6]许博.基于GPS的边坡监测数据处理系统研究与实现[D].沈阳航空航天大学，2013.

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[8]曾成.基于人工神经网络的工程建模和计算的研究与实践[D].武汉大学，2005.

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[10]陈晓雪.基于三维激光影像扫描系统的边坡位移监测预测研究[D].北京林业大学，2008.

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[12]宋胜武，徐光黎，张世殊.论水电工程边坡分类[J].工程地质学报，2012（1）：123-130.

[13]宋胜武，冯学敏，向柏宇，等.西南水电高陡岩石边坡工程关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2011（1）：1-22.

作者简介：龙志（1989-），男，硕士研究生，研究方向：水利工程。