浅析三维激光扫描仪在边坡变形监测中的应用

1、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广东天信电力工程检测有限公司北京市测绘设计研究院 北京麦格天沌科技发展有限公司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、人力成木高、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吋间差来计算目标距 离，再结合水平方向和垂直

2、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儿何模型。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 代而。1.2.2自动化

3、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 ni范围内单点定位精度应 达到1

4、価，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 mnio偶然谋差具有随机性，比较复杂，但一般可归结为测距谋差、测角课差和外界环 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。-般表现为，物体颜色 明亮的物体测量谋差相对较小;物体倾斜影响激光入射角越大则谋差越大。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。

5、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屮的同名点进行拼 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

6、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

7、法的比较下载原表3工程应用实例3. 1控制测量控制网由3个带有强制对屮装置的基准点和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 500262007）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real work软

8、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，得岀边坡的变形情况。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变形监测数据对比下载原表图1拼接后局部点云数据 下载原图 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