浅析三维激光扫描仪在边坡变形监测中的应用

霍欣杰，崔 磊，蒋国辉，吴大鹏

(1. 广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663； 2. 北京市测绘设计研究院，北京 100038； 3. 北京麦格天渱科技发展有限公司，北京 100089)

天宝测绘解决方案专栏

浅析三维激光扫描仪在边坡变形监测中的应用

霍欣杰1，崔 磊2，蒋国辉3，吴大鹏3

(1. 广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663； 2. 北京市测绘设计研究院，北京 100038； 3. 北京麦格天渱科技发展有限公司，北京 100089)

随着科技的飞速发展，近年来发展成熟的三维激光扫描技术已经应用于边坡监测工作中，其具有快速、自动化、高精度、非接触、直接获取监测对象表面三维数据的特点，且可以解决现有常规边坡监测手段的效率低、人力成本高、安全隐患高、以点带面等缺陷。

1 三维激光扫描技术简介及其适用性分析

1.1 三维激光扫描简介

三维激光扫描技术是继卫星定位系统后，测绘领域又一项技术技术革命和突破。它是利用扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差来计算目标距离，再结合水平方向和垂直方向的距离和角值即可计算出目标点的三维坐标。这些三维坐标以点云的方式存储，而点云的实质是大量的矢量点。通过软件对这些点云进行相应处理后，可得到被测对象的三维几何模型。通过对不同期的扫描数据进行分析，即可得到被测对象的变形数据。

1.2 适用性分析

1.2.1 数据获取及数据分析方式

三维激光扫描技术是以百万点/秒的扫描速度(典型测量时间约为5 min)，快速、高精度、大范围地扫描目标物体以获取目标的三维坐标数据。数据分析时，在大量坐标数据中进行筛选、比对，得出变形数据，根据实际情况划定变形断面。这种数据获取方式和数据分析方式与传统测量方式相比更加客观，避免了以点代面。

1.2.2 自动化程度

三维激光扫描技术的自动化程度主要涉及外业测量和内业数据分析两个方面。外业方面，高精度的控制网目前仍需要人工干预，扫描过程由三维激光扫描仪按照预设程序自动运行；内业方面由专用计算机软件进行分析、比对。

1.2.3 误差分析

1.2.3.1 误差来源

三维激光扫描技术的误差可分为系统误差和偶然误差。

系统误差的大小是由三维激光扫描仪自身条件决定的，如激光的发散度、旋转棱镜的精度、双轴补偿精度等。其中激光的发散度决定了三维激光扫描仪的有效测程，随着距离的增加，激光发散度不断增加，采集的点云数据精度也随之降低。应用于边坡变形监测的三维激光扫描仪，一般要求100 m范围内单点定位精度应达到1 mm，重复测量精度应在0.5 mm以内。以Trimble TX8型激光扫描仪为例，其测程最大可达到300多米，测距精度可达到1 mm。

偶然误差具有随机性，比较复杂，但一般可归结为测距误差、测角误差和外界环境引起的误差3类。其主要影响因素有激光测距原理，三轴误差和外界温度、气压等。

此外，目标物体的颜色、倾斜也会对测量误差造成影响。一般表现为，物体颜色明亮的物体测量误差相对较小；物体倾斜影响激光入射角越大则误差越大。

1.2.3.2 减小误差的措施

(1) 增加扫描仪设站点：一是可以减小扫描距离，从而降低激光发散度；二是可以减小激光光束方向与物体表面切平面法线的角度。

(2) 提高控制网精度。一个工程往往需要布设几个测站，从而获得被测物体的高精度三维扫描数据，这些测站测得数据需要进行后期拼接，即对点云数据进行拼接，不同期的点云数据又需要进行比对，从而获得变形数据。提高控制网精度的意义在于减小点云数据拼接时产生的误差，减小重复观测中因控制网误差对点云数据的影响。一般可使用高精度全站仪和水准仪进行控制测量，获得高精度的控制网数据。

(3) 提高点云数据拼接精度。该方法主要是选择合适的拼接算法和拼接方法。如边坡较小，点云数据量不是很大，一般可通过搜索点云数据中的同名点进行拼接。如边坡工程较大，点云数据量比较大，在超千万的点云数据中搜索同名点云是非常耗时的，因此可在被测目标上提前安置一定数量的反射标靶，以反射标靶作为拼接的基点进行点云数据拼接，可有效地减小拼接工作量。

2 与传统监测方法的对比

传统边坡变形监测方法一般有：前方交会法、极坐标法、几何水准测量、GPS法等。这些监测方法在操作简易程度、测量精度、工作量、自动化程度、数据的客观性方面各有所缺，难以两全。与其相比，三维激光扫描技术几乎解决了传统监测方法的所有难题。其主要对比情况见表1。

通过对比可以发现，传统变形监测方法均是以预设变形点位的变形代替整个边坡的变形，其数据客观性大打折扣。而三维激光扫描技术很好地解决了这一问题，同时又兼顾了精度、操作便捷性和自动化等几个方面。

表1 三维激光扫描技术与其他监测方法的比较

3 工程应用实例

3.1 控制测量

控制网由3个带有强制对中装置的基准点和3个工作基点构成基准网。首先，使用高精度全站仪(1″级)和水准仪(DS05级)按照《工程测量规范》(GB 50026—2007)中变形监测二等精度施测；其次，为便于点云数据拼接，在边坡显著位置布设3个反射标靶。

3.2 数据采集

该边坡工程主要使用全站仪极坐标法进行监测，为了进行数据比对，使用Trimble TX8型激光扫描仪同步观测2期(首期和末期)。为获得边坡的全部点云数据，分别在3个工作基点上架设三维激光扫描仪对边坡进行扫描，每个测站独立扫描2次。

3.3 数据处理及分析

数据处理和分析使用RealWork软件进行。首先对采集的原始点云数据进行过滤和去噪，目的是去除冗余信息和噪音数据；然后对点云数据进行拼接(如图1所示)，三维建模；最后将多期点云数据进行叠加分析，得出边坡的变形情况。

3.4 数据对比

本次全站仪极坐标法和三维激光扫描获取的变形监测数据比对见表2。

表2 变形监测数据对比

图1 拼接后局部点云数据

通过本次比对试验可以看出，三维激光扫描与极坐标法获取的变形数据基本一致，发现的最大变形点位相近。经实地勘查，WY3点附近存在一条轻微裂缝，裂缝长度约为4 m，裂缝最大宽度约为10 mm，位于WY3点西侧约3 m的位置。说明本次三维激光扫描数据客观、真实，三维激光扫描技术适用于边坡变形监测工程。

4 结 语

本文通过分析三维激光扫描技术在边坡变形监测工程中的适用性，对比传统边坡变形监测方法的优缺点可知，三维激光扫描技术完全可以应用在边坡变形监测领域，并且解决了传统边坡变形监测方法以点代面、工作效率低、工作成本高等缺陷，是具有代表性的技术革新。