三维激光扫描仪在地质灾害地面形变监测中的应用

和　璇，崔　佳，赵　玉

（1.云南省基础测绘技术中心，云南　昆明　650000；2. 云南省测绘产品检测站，云南　昆明　650000）

三维激光扫描仪在地质灾害地面形变监测中的应用

和璇1，崔佳1，赵玉2

（1.云南省基础测绘技术中心，云南昆明650000；2. 云南省测绘产品检测站，云南昆明650000）

三维激光扫描技术是一种广泛应用于各个领域的激光测量技术，在地质灾害中更展现出独特优越性。文章首先介绍了三维激光扫描技术以及三维激光扫描仪，然后分析了三维激光扫描技术的优势，并且简述了作业流程以及形变分析算法，最后提出了目前存在的一些局限性。

三维激光扫描仪；地面形变监测；形变分析

自20世纪80年代三维激光扫描技术兴起之后，三维激光扫描测量法逐渐应用于形变监测，成了地质灾害地面形变监测的一种新方法、新技术。三维激光扫描仪通过获取灾体的三维信息、比对不同时间采集点云数据集，高精度、高效、大面积的得到灾体形变趋势。

1　三维激光扫描技术

“三维激光扫描技术，又称‘实景复制技术’，被公认为继经纬仪、全站仪系统、摄影测量系统、GPS技术后测绘领域的又一项技术革命”［1］。目前该技术已作为一种快速获取空间点云数据的有效手段。

随着硬件技术的日趋成熟，三维激光扫描仪的性价比不断提升，其种类、功能和性能指标也不尽相同，测程范围从1～1000m，测距精度从0.4～20mm，测量速度也从最初的1000点/s提升到50 000点/s，120万点/s。市场上的三维激光扫描仪就有上百种，包括常见的徕卡、Z+F、雷格、法如、天宝等。根据搭载平台不同三维激光扫描仪可分为机载三维激光扫描仪、地面三维激光扫描仪和手持三维激光扫描仪；根据测距原理不同又分为脉冲式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。

2　三维激光扫描技术应用于地质灾害地面形变监测的优势

三维激光扫描技术从传统的单点测量发展到面测量。高精度、高密度、高速度获取被监测区域形变细节和整体形变趋势，克服了单点式监测中监测点数少、难以发现无监测点区域的形变情况以及监测点一旦破坏将严重影响资料连续性等问题。

三维激光扫描技术有如下优势：

（1）非接触性。传统的单点式监测中监测的有效性依赖于监测点的设置，一旦监测点遭到破坏将影响到最终结果，而三维激光扫描技术在不设置监测点的情况下，可真实可靠的获得灾害体的三维坐标信息。

（2）高速度、高精度、高密度。三维激光扫描技术采集数据速度非常快，采样点的速度可达5万点/秒，大大提高了大面积灾害体的空间信息获取速率。同时采用点阵和格网的数据采集方式可获取高密度、高精度、分布均匀的灾害体点云数据。

（3）实时、动态、主动性。三维激光扫描技术可全天候实时作业，不需要外部光源，主动发射信号，通过探测回波信号得到灾害体信息。这一特点使其在面对突发性地质灾害时可迅速响应，高效作业，及时获取测量灾害体的三维信息。

（4）穿透性。由于三维激光扫描的采样间距比较小、采样密度比较大，当灾害体表面存在不太浓密的植被覆盖时，仍有一部分激光能够到达灾害体表面，经过有效的点云去噪，可获取灾害体表面信息。

（5）数字化、自动化。三维激光扫描技术采集的数据是数字坐标信号，它具有全数字化的特征，可靠性好，自动化程度高，易于数据的后期处理、格式转换及数据输出。

（6）能与GPS系统结合。通过GPS布设控制网将三维激光扫描获取的灾害体相对坐标转换为实用坐标，得到高精度的实用坐标系下的三维模型。

3　三维激光扫描仪地质灾害地面形变监测作业流程

三维激光扫描仪通过对形变区域进行周期性扫描，对比不同期次的三维信息进行形变监测。一般情况下可将基于三维激光扫描仪的地质灾害地面形变监测分为现场勘查；数据采集；成果输出与分析比对3个主要步骤。

根据监测区域概况、要求等进行现场勘查，确定采集设备及作业方式。区域概况包括位置、大小、形态等，同时排除可人为去除的干扰，减少人为误差的引入。为了得到统一坐标系下的三维激光扫描数据成果，还需要埋设用于设站和定向的控制点。控制点应选在各点之间能够相互通视且较稳固的地方。对于有条件布设监测点的区域在形变较为严重、突出的地方布设监测点。若采用基于标靶的点云拼接方式还需确定公共标靶个数和位置，原则上每3个公共标靶按照空间锐角三角形布而且保证每两个需要拼接的点云数据中包含至少3个不在同一直线上的公共标靶。

数据采集方式可分为“一站式”扫描和“分站—分景”式扫描。扫描站位置应选择安全、稳定且通视情况良好的区域。选择“分站—分景”式扫描在保证获取数据完整的前提下，选择较少的扫描站数以减少原始数据量和拼接误差。采用无标靶拼接方式的扫描区域，应保证每两个需要拼接的扫描区域间至少有60%的重叠度以及尽可能多的特征点，以满足拼接要求以及成果精度。在选定的测站上架设扫描仪，调整好扫描仪方向和倾角，严格对中整平，并量取仪器高，连接好扫描仪、计算机和电源。进行多次定向，将自定义的扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下。

将采集的数据进行点云配准和拼接、数据处理、三维建模，再将不同期次的数据模型进行分析比对，得出形变结果。点云数据进行粗差剔除、旋转对齐、多视拼接等操作，若采用基于标靶的拼接方式，在重叠区域均匀地选取公共标靶，根据约束条件，计算整体拼接误差，拼接误差过大时应仔细检查该点坐标的正确性，删除误差过大的公共标靶。若采用无标靶拼接方式，在重叠区域尽量选取特征点，以减小拼接误差。数据处理时先要手工去除由灾害体及周围一些无关的杂草、树木、建筑物、电杆等造成的无关点云噪声点。去噪过程应遵循“少去除多视角”的去除方法，避免删除真实的有效点云数据。再对手工去噪后的数据进行点云滤波，过滤其他隐含噪声点且降低点云密度。点云滤波应选择保持原始数据形态，地形改变量较小的方式，以减少对有用点云的剔除保证点云数据的精度。选择合适的算法，通过自动化软件平台进行三维建模，用获取的点云强度信息和相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述，获得灾害体真实的三维立体影像。

4　形变分析方法

三维激光扫描仪常用的形变分析方法主要有基于曲面拟合的形变分析方法、基于ICP配准算法的形变分析算法和基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的形变分析方法。

曲面拟合是指利用部分实际的试验数据，求出一个解析式，使所有的试验数据通过或分布在该解析式所表示的一个空间曲面内。实现曲面拟合的算法有很多，其中最常用的是基于最小二乘法的曲面拟合算法，该算法具有精度高，拟合曲面平滑的特点，但是运算较复杂，运算量相对较大，最小二乘法是一种逼近理论，基于最小二乘法的曲面拟合通过不断迭代，使拟合曲面的样点值与真实值之间差的平方和逼近最小，得到最接近实际的拟合曲面。基于曲面拟合的形变分析方法通过计算相邻拟合平面法向量夹角的变化或不同期次两个面之间的夹角变化得出形变趋势和变化量。在地质灾害地表形变监测中，三维激光扫描仪利用获取的点云数据通过比较拟合中误差和夹角变化作为衡量地表形变的指标。

ICP配准算法也叫迭代最近点算法，其基本原理是将参考点集经过一系列坐标变换，转换到与目标点集同一坐标系下，找到参考点集中每一个点与目标点集中距离最近的点，建立最近对应点对关系，计算最近点对的距离的平方和，利用最小二乘法，迭代算出最优坐标转换。基于ICP配准算法的形变分析将第一期扫描数据作为参考点集，与之后的多期数据分别进行配准，配准残差作为形变指标，通过与设定的残差阈值进行比较获得形变量，衡量相对形变量。

基于DEM模型的形变分析方法通过比较DEM模型来衡量形变量。三维激光扫描仪获取的点云数据通过拼接、去噪等数据处理，构建DEM模型，在同一坐标系下，以前期的DEM作为参考，对后期的DEM做内差计算，不同DEM模型相同水平坐标的高程差即为形变量。

5　三维激光扫描仪在地质灾害地面形变监测应用中的局限性

在地质灾害地面形变监测中三维激光扫描仪仍然存在一些局限。首先，作为形变监测的数据获取手段三维激光扫描仪的精度就显得格外重要。事实上，测距、大气、分辨率、目标材质、测量时间甚至温度等都会影响到成果精度，根据目前的精度检较手段，三维激光扫描仪自身和精度的检较存在一定困难。其次，地质灾害多发区域普遍存在地形复杂、植被覆盖复杂等问题，虽然相比传统的测量手段，三维激光扫描仪非接触性、自动化等特点有效地解决了监测点稳定性、监测人员安全性等问题。但是三维激光扫描技术精度、测距与扫描速率存在明显矛盾关系，在保证测量精度的情况下测距限制了架站位置。最后，由于扫描角度的限制，部分灾害体无法扫描完整，尽管各类基于移动载体的三维激光扫描仪在一定程度上扩大了三维激光扫描仪的使用范围，但是提高三维激光扫描仪的测距与扫描角度范围才是解决其应用瓶颈的根本办法。

［1］雷利元，张笑，席小慧，等.三维激光扫描技术在海洋领域中的应用现状与前景展望［J］.气象水文海洋仪器，2015（2）：117-120.

［2］刘雨鑫.地面三维激光扫描点云数据处理及应用［D］.成都：成都理工大学，2015.

3D laser scanner application in surface deformation monitoring

He Xuan1， Cui Jia1， Zhao Yu2
（1.Basic Surveying and Mapping Technology Center of Yunnan Province， Kunming 650000， China；2.Yunnan Provincial Surveying and Mapping Product Testing Station， Kunming 650000， China）

3D laser scanning technology is a kind of laser measurement technology which widely used in various felds especially in geological disasters in recent years. This paper introduced the 3D laser scanning technology and 3D laser scanner in the frst place， and then analyzed the advantages of 3D laser scanning technology， describing the work fow and deformation analysis. At last， it put forward the limitations of 3D laser scanner.

3D laser scanner； surface deformation monitoring； deformation analysis

和璇（1989— ），女，云南丽江，硕士；研究方向：激光扫描测量技术。