三维激光扫描技术在高边坡监测中的应用研究

明国辉（福建省电力勘测设计院，福州350003）

三维激光扫描技术在高边坡监测中的应用研究

明国辉
（福建省电力勘测设计院，福州350003）

结构面地形信息采集的精度和效率是工程施工过程中评价岩体结构稳定的关键技术难点。为进一步提高边坡数据采集的效率和精度，论文引入三维激光扫描技术，通过对该技术的原理进行阐述和分析，对地面三维激光扫描技术在高边坡监测中的技术应用展开深入研究。

三维激光扫描；高边坡监测；DEM

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.181

1 引言

近年来，新兴的地面三维激光扫描技术为工程施工及运营过程中边坡数据的采集和分析提供了新的技术支持，较好地弥补了传统测绘方法采样点少的缺陷。基于此，论文着重分析了三维激光扫描技术在高边坡监测中的应用过程与方法，以期为边坡监测数据的完整性和可靠性提供可靠的技术保障。

2 三维激光扫描原理分析

三维激光扫描技术的具体原理如图1所示。在扫描仪中，两反光镜在快速有序旋转的过程中，将脉冲发射体所发射的窄束激光脉冲依次对被测边坡区域进行扫描，通过对各激光脉冲从发出到被测区域再返回仪器所用时间对二者距离进行计算，并结合编码器对不同脉冲角度的测量结果进行转换，即可得到被测物体的三维真实坐标。同时，根据两反射光镜的角度值，能够得到激光束水平与竖直方向的值，而后，再通过对脉冲激光的传播时间进行计算，获得三维激光扫描仪到扫描点的具体距离，由此，得到扫描的三维坐标值，而反射点的颜色则由反射强度来决定。

图1 三维激光扫描原理图

3 三维激光扫描技术在高边坡监测中的应用

3.1 数据获取

结合工程边坡的实际地理情况，选取Trimble GX200型号的三维激光扫描仪，将坡体划分为两站进行大规模扫描。在扫描过程中，以边坡的具体长度为依据，在其对面位置建站，两站点分别对所选区域进行扫描。在确定实验扫描密度后，绘制出具体的扫描点云数据图[2]。

3.2 数据处理

数据处理应分别从数据图像分割、点云数据匹配、点云过滤及数据决定定位与拼接等方面进行。

1）深度图像分割。基于区域的图像分割能够将图像划分为不同区域，根据分割后的相关结果，能够对图像进行深度处理与分析[3]。

2）点云数据的匹配。该项工作的最终目的是将点云坐标进行转换，将其纳入大地坐标系统中予以分析。在转换过程中，标志点的匹配方法为：将主次扫描的第一副点云标志点进行集合，以空间坐标点的距离值为依据，在动态划分层的基础上构成层嵌套；而后，将逐次扫描开始的首幅点云为基准，对其与第二幅点云的标志点进行匹配[4]。

3）点云过滤与数据的绝对定位和拼接。点云过滤的作用主要包括2方面，过滤其中的噪声点和降低点云密度。在数据拼接方面，可引入多视点云拼接技术，将不同坐标系经由坐标变换处理统一到同一坐标系中，进而将不同角度的扫描数据进行合成，使其构成一个完整的三维物体[5]。

3.3 数据分析

数据分析通常借助RealWorksSurvery软件。通常，数据分析被分为2个模式，分别为Registration模式和OfficeSurvery模式.其中，Registration分析模式下，可借助重叠点云部分将一组扫描数据同其他扫描数据进行匹配，若数据来源于标靶扫描，则应先对其中的配准实体进行分析，而后，将相关扫描场景同时进行匹配，进而将相关结果保存至一个报告当中，另外，也可利用地理参考工具对扫描的数据进行存放，存放的位置在已知的坐标系当中；在 OfficeSurvery模式中，RealWorksSurvery可从云点当中提取不同类型的二维图形，通过对相关数据进行分析，选择并匹配相应的二维图形至点云，从而生成一次或多次正射投影图，进而对单个点云的体积进行计算和分析，并生成相应的监测图。

4 高边坡监测中三维激光扫描的应用实例

借助扫描系统对某电厂高边坡研究区域进行扫描，扫描时间为12d，连续6期，每间隔2d开展一期数据的采集。因三维激光扫描仪从某一方向扫描一次即获得目标完整点云数据是比较困难的，故在进行各期的扫描时，均在同一测站采取变换扫描仪的角度的方式，为两幅扫描影像的获取提供依据，并最终获得6期12幅扫描影像，相关扫描工作是通过在边坡对面300m远处地区设置相应测站予以完成的。还需要说明的是，在被测扫描区还安装了2个圆形标靶，为在采用的RealWorks Survey软件的点云拼接模块中，对同名点进行准确识别和对两标志物中心点的三维坐标位移变化情况的获取提供便利。在经滤波和去噪处理后，利用Registration这一模块对相应的点云数据进行点云拼接，根据第一天扫描数据拼接前后的结果，再利用RealWorks Survey软件的Modeling模块予以目标三维重建。再对各期扫描数据均进行以上滤波、去噪、拼接和三维重建处理，最后，将获得的6期模型结果予以直接叠加，再借助OfficeSurvey模块对获取的6期点云数据的差别予以分析，并以不同颜色对误差图进行分类，得到边坡变形的趋势与量级。

在对三维激光扫描数据的监测结果进行分析后得知，该电厂高边坡总体变形趋势相对平缓，最大位移量为厘米级。三维激光扫描结果中，将区域位移变化量的大小以不同的颜色予以表示，通过对监测结果进行分析确定陡峭区域所对应的颜色，以此判断此类地区为开挖地区，具有较大的倾斜度，且位移速率变化较大，具有滑坡倾向。此外，根据平坦区域所代表的颜色，对相关颜色在扫描结果中所占的面积进行观察和分析，得出此类颜色所对应区域趋于平坦，位移速率变换较小，相对平稳，故暂时不具有滑坡趋势的结论。

5 结论

本文通过对三维激光扫描的原理进行说明，进而分别从三维激光扫描技术数据获取、处理以及边坡DEM提取和形态描述等方面在边坡监测中的应用做出了系统探究。研究结果表明，三维激光扫描技术能够较为精确地获得边坡坡体地面的变化情况，不仅为工程施工建设的顺利进行有重要的保障作用，而且对于后续工程运营管理人员对边坡的高效监测和管理提供了较大便利。

【1】李健，胡书桥，邓增兵.基于综合改进ICP算法的三维激光扫描技术在露天矿边坡测绘中的应用[J].煤田地质与勘探，2012，1(15):51-54.

【2】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，2013，2(4):131-133.

【3】高伟，李爱国，张素情.三维激光扫描技术在边坡治理中的应用[J].矿山测量，2011，3(18):81-84.

【4】王梓龙，裴向军，董秀军，魏小佳，蒙明辉.三维激光扫描技术在危岩监测中的应用[J].水文地质工程地质，2016，1(17):124-129.

【5】李仁忠，刘洁.三维激光扫描技术在高层建筑变形监测中的应用[J].重庆建筑，2013，10(24):42-45.

Application of Three Dimensional Laser Scanning Technology in High Slope Monitoring

MING Guo-hui
(Fujian Electric Power Survey&Design Institute,Fuzhou350003,China)

The accuracy and efficiency of the structural surface topography information collection is the key technical difficulty to evaluate thestability of rock mass structure in the process of engineering construction. In order to further improve the efficiency and accuracy of the slope dataacquisition, this paper introduced the 3D laser scanning technology, describing and analyzing the principle of the technique, and then researchedon the ground of technology application of3D laser scanning technology in the monitoring of high slope.

3D lasers canning;high slope monitoring;DEM

P225.2

A

1007-9467（2016）12-0193-03

2016-09-20

明国辉（1976～），男，湖北麻城人，高级工程师，从事电力工程勘测设计研究。