三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用

邱平武

（湖南省有色地质勘查局二四七队 湖南长沙 410129）

三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用

邱平武

（湖南省有色地质勘查局二四七队 湖南长沙 410129）

三维激光扫描技术是一种新型的激光测量技术，具有高速度、高精度、高密度的特点，能够有效获取物体表面的三维空间坐标，且无需接触被测物体，目前该技术已被广泛应用于滑坡变形监测中。本文主要从三维激光扫描测量的工作原理入手，并对滑坡监测数据获取和采集的相关内容进行分析，仅供参考。

三维激光扫描测量；滑坡监测；数据获取

1 引言

目前，三维激光扫描技术的出现和发展为解决滑坡数据获取和采集提供了有效途径和手段，其不仅能快速实现坡体的数字化，还可通过激光扫描获取目标的深度图，并将其转化为坡体表面三维信息，增强工作人员的代入感。同时，利用三维激光扫描技术所开展的滑坡监测工作，有利于减少人员的劳动强度，缩短作业时间，提高作业效率，弥补传统监测方法的不足。

2 三维激光扫描测量原理

地面三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、数码相机、软件控制平台、数据处理平台及电源和其它附件设备构成。三维激光扫描技术的核心是激光反射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元等。通过三维激光扫描技术可直接对滑坡实体或实景三维数据进行准确采集，从而可快速建立出滑坡实体目标的三维模型。

三维激光扫描原理见图1，在三维激光扫描仪内，有一个激光脉冲发射体和两个反光镜同步进行有序旋转。通过对被测区域进行扫描，可准确测量出每个激光脉冲从发出到被测物表面再返回仪器所经过的时间，由此可计算出相应距离，同时编码器可对每个脉冲角度进行测量，从而获得被测物体真实的三维坐标。其中两个连续转动用来反射脉冲激光镜子的角度，以此来获得激光束的水平及竖直方向值；通过脉冲激光传播的所花的时间可将仪器到扫描点的距离计算出来；扫描点的反射强度可用来给反射点匹配颜色。

图1 滑坡三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪在滑坡监测中的应用，可获得每个测站点的点云数据，且点云中每个点的位置信息可在扫描坐标系中通过极坐标（∂ξδ）的形式予以描述。在扫描前，要在被扫描区域内布设相应的扫描控制点，而控制点的大地坐标一般可通过GPS、全站仪等手段进行测量，以便点云坐标向大地坐标的相应转换，从而为滑坡监测提供可靠通用的数据。在获取数据后可利用逆向工程软件来提取坡体特征，形成滑坡区域DEM模型，从而为数据预报建模奠定坚实基础，见图2。

图2 三维激光扫描仪在滑坡监测中的工作流程图

3 滑坡监测数据的获取和处理

3.1 外业数据的采集

一个完整的实体扫描过程主要包括数据的获取和处理、点云建模输出应用。针对滑坡地理位置的实际情况采用三位扫描仪对坡体进行大规模扫描，在扫描过程中可实行“分站-分景”的扫描方式，每站以圆形区域进行分景扫描，并对所扫描的信息进行处理，以便坡体地面模型的有效提取。采集的三维点云数据经过拼接和结合后，可对数据进行预处理，剔除无效数据，以此来保证滑坡监测体地面高程数据的准确性，从而为DEM模型的建立提供可靠的数据基础。

3.2 数据处理

要保证所获取的多传感器数据处理的准确性，其中涉及了较多的技术环节，具体内容为：①深度图像分割。该技术的分割方式主要集中在基于区域的分割上，通过分割可将图像分成不同区域，而分割后的结果有利于对图像进行更好的处理和分析；②点云数据匹配。数据匹配的主要目的在于为数据定义明确的绝对坐标，其匹配过程是在参考点基础上进行的。在集成应用中可选择GPS或全站仪对参考点的位置信息进行测量，以便对数据融合的准确性进行检验；③点云过滤。扫描过程主要先对垂直方向的线进行扫描，并按照设定的水平角分辨率水平转动，再对垂直方向的线进行扫描，可见扫描过程具有一定的规律性。但这种规律下所得到的点云是无序杂乱的，因此，建模前应对点云进行平滑。点云过滤的主要目的是降低点云密度和过滤点云中的噪音点；④数据绝对定位及拼接。多视点云拼接是点云数据处理的一项关键技术，即是将各个局部坐标系通过相关的坐标转换到统一的坐标系中，从而将多个角度的扫描数据合成完整的三维物体。在进行点云数据绝对定位基准时，可通过GPS和全站仪相结合的方式进行测量，扫描后数据点位的误差范围控制在2～6mm左右。

3.3 坡体DEM获取

通过CYCLONE扫描数据处理软件对扫描的杂点进行剔除，确保处理后的扫描数据仅存在地表点。用CYCLONE数据导出功能可将MP的扫描格式转换为用户需要的DXF格式。为了保证坡体DEM模型建立的完整性，应对各时段DEM的坐标系统进行统一，并利用模型求差法对其进行分析。另外，在对相同水平坐标点的高程变化情况进行比较时，应以初始DEM数据作为参考，并对后面的DEM数据实行内插计算，通过相同水平坐标点高程变化情况的比较来分析变形大小。

4 工程实例

4.1 工程概况

某区域滑坡纵向水平垂直距离为70m，横向为100m，该滑坡体上部原有四个雨水蓄水池，由于池内具有明显的开裂痕迹，导致其不具备蓄水功能，导致滑坡产生的主要原因在于雨水长期的冲刷和渗透，使得滑体表面存在大量裂缝，可见，该区域山体确实存在滑坡迹象。

4.2 控制点、监测点的布设

为了在统一坐标系统内对采集的监测点数据进行比较，以便获得同一坐标系统内的区域DEM，在滑体周围埋设了用于设站和定向的控制点，如图3所示，控制点选DEM。在本次扫描中，只使用了其中的K1、K2控制点，将K1作为基准点用来加设仪器，K2作为观测时需要的定向点。

图3 控制点及监测点分布图

4.3 外业数据采集

（1）设站。由于该滑坡体相对较小，且植被较少，在滑坡体的上下位置均能观测到监测点，因此，在所布设的K1、K2、K3、K4控制点中，选择K1来架设三维激光扫描。另外，为了得到滑坡区域整体的监测数据，将K1控制点作为母站，以作为监测点的公共标靶为约束条件进行拼接即可得到所测区域完整的点云数据。

（2）定向。在K1控制点上架设扫描仪，并对仪器高度进行测量，连接扫描仪和电源，将电源打开让仪器进行自检；设置笔记本和扫描仪之间的通讯，并启动配套的Cyclone软件并建立数据库和工程软件，连接扫描仪并通过所设置的角度范围对扫描区域进行拍照。进行多次定向扫描后，其中高程定向最大误差为4mm，最小误差为2mm；水平定向最大误差为2mm，最小误差为1mm。

（3）粗扫。针对所拍照片不清晰的区域可通过对内置相机的曝光度进行调整，可重新获取；设置扫描仪的扫描精度为10cm，主距为80㎝；在扫描完每站所能观测到的监测区域后，进行下一站的扫描。

（4）该监测点主要使用的是和三维激光扫描仪配套的蓝白标靶，在扫描过程中，可通过获取标靶信息的方式进行精扫，即对各监测点进行编号，不用对扫描精度进行设置，可大大提高扫描效率。

4.4 内业数据处理

（1）点云拼接。对不同视角和位置的物体进行多次扫描，并将扫描的点云数据进行筛选、旋转对齐、多视拼接等操作，完成对不同坐标下的点云数据向统一坐标系下转换的过程，以获得完整的点云数据。

（2）点云预处理。点云预处理的主要环节是点云去噪，这类噪声点主要是由于滑坡体周围的一些杂草、电杆、建筑物等造成的，在对滑坡体进行数据采集的过程中，难以避免对周围多余物体进行数据采集。由于物体具有不同的反光率和反光强度，采集的点云数据也会呈现不同光泽，这些点会对点云的数据质量和模型精度产生影响，因此，必须手工去除。

5 结语

综上所述，三维激光扫描技术可有效保证点云数据获取的准确性、及时性，可对整个滑坡体地面时刻发生的变化进行监测，可见，三维激光扫描技术具有一定的技术优势，不需事先埋设监测设备，能够准确反映坡体的总体变化趋势，在滑坡监测中具有较好的应用前景。

[1]陶茂枕，刘方，王明.三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用[J].科海故事博览·科技探索，2013：56.

[2]王炎城，钟焕良，石雪冬，等.三维激光扫描测量技术在滑坡监测中的应用[J].地理空间信息，2015（3）：138～141.

[3]石琨，杨桂珍.浅谈激光扫描技术在滑坡监测中的应用[J].科技致富向导，2013（36）：87.

P642.22

A

1004-7344（2016）32-0189-02

2016-10-16

邱平武（1989-），男，助理工程师，本科，主要从事测绘工作。