邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測新技術(shù)研究

1、邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測新技術(shù)研究2摘要：三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測提供了新的監(jiān)測手段，本文選用在測量領(lǐng)域中使用較廣 的脈沖式掃描儀，以監(jiān)測某立交橋的邊坡?lián)鯄ψ冃螢閷?shí)例，進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。根據(jù)邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測的特 點(diǎn)及數(shù)據(jù)處理的要求，使用機(jī)帶軟件RIEGL VZ -1000進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，再引入第三方點(diǎn)云處理軟件 Geomagic Studio和Geomagic Qualify,進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理及變形分析。通過研究，提出了基于三維激光掃描技術(shù)的邊 坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測新方法。關(guān)鍵詞：三維激光掃描；擋墻；變形監(jiān)測；點(diǎn)云數(shù)據(jù)Abstract: The emergence of thre

2、e - dimensional laser scanning technology provides a new means to monitor deformation of slope and retaining wall. The paper uses the pulsed scanner which is widely used in measurement, we scan a slope and retaining wall of a bridge which is taking as an example and collect the point cloud data. Acc

3、ording to the characteristics and requirements of the slope and retaining wall data processing, we use the RIEGL VZ - 1000 which comes with the machine to finish point cloud data preprocessing, use the third - party point cloud processing software Geomagic Studio and Geomagic Qualify to process data

4、 and analysis deformation. After the research, we presented a new method to monitor deformation of slope and retaining wall based on 3D laser scanning technology. Key words:3D laser scanning; slope and retaining wall; deformation monitoring; point cloud data引言我國是世界上自然災(zāi)害頻發(fā)的國家之一，而滑坡災(zāi) 害在我國的自然災(zāi)害中占有相當(dāng)大的比

5、例，滑坡監(jiān)測作 為預(yù)防滑坡災(zāi)害的手段,其工作的意義也愈加重要。20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)并發(fā)展起來的三維激光掃 描技術(shù)，可以簡單高效地獲取變形體的三維數(shù)據(jù)，把以前 以點(diǎn)代面的監(jiān)測方法改變?yōu)槿中缘恼w監(jiān)測方法，全 面地掌握變形體的變形過程和變形規(guī)律，豐富變形測量 的內(nèi)涵。與傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測技術(shù)相比，三維激光掃描技 術(shù)具有無需事先埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備、無接觸測量、監(jiān)測速度 快、測量精度高、能夠反映坡體的總體變形趨勢等特點(diǎn)， 可以快速獲取高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處 理及建模后可以得到整個變形監(jiān)測體的變化信息，對監(jiān) 測結(jié)果進(jìn)行研究可掌握其變形發(fā)展規(guī)律，開展滑坡災(zāi)害 預(yù)報研究。本文采用RIEGL VZ

6、 - 1000脈沖式三維激光 掃描系統(tǒng)，以監(jiān)測某立交橋的邊坡?lián)鯄ψ冃螢閷?shí)例，進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，引入第三方點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Studio 和Geomagic Qualify進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理和變形分析，研究 了邊坡?lián)鯄ΡO(jiān)測的技術(shù)路線以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法。1地面三維激光掃描技術(shù)的基本原理地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源 供應(yīng)系統(tǒng)和其他附件設(shè)備組成。激光掃描儀本身包括激 光測距系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，同時也集成了 CCD和儀器內(nèi)部 控制及校正系統(tǒng)等（如圖1所示）。激光掃描儀的測距方法是根據(jù)光學(xué)三角測量的原理， 以激光作為光源，將其投射到被測物體表面，并采用敏感元件在另一位置接收激光

7、的反射能量，根圖1 固定式地面激光掃描系統(tǒng)示意圖據(jù)光點(diǎn)或光 條在物體上成像的偏移,通過被測物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系,計(jì)算物體的深度信息（如圖2所示)激光掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管發(fā)射近似紅外 波長的安全激光束，對所測對象進(jìn)行立體面狀掃描。在 掃描儀內(nèi)，掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的水 平方向值a和天頂距值0。借助設(shè)備獲取從物體上反射 回來的激光，通過測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表 面再返回儀器所經(jīng)過的時間或相位差，計(jì)算出激光掃描 儀到物體掃描點(diǎn)之間的距離值S和反射強(qiáng)度/。a , 0和S 用來計(jì)算激光打在被測物體上的掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三 維激光掃描測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)

8、,X軸在橫向 掃描面內(nèi)，Y軸在縱向掃描面內(nèi)與X軸垂直,Z軸與橫向 掃描面垂直，由此得到點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式：X = Ssin0sinaY = Ssin0cosa(1)Z = Scos02地面三維激光掃描儀選用變形監(jiān)測要求測量儀器具有較高的數(shù)據(jù)采集精度， 測量數(shù)據(jù)處理后要具有精確建模精度，部分高邊坡還要 求測量儀器具有高仰角測量功能。根據(jù)這些要求，選用 了奧地利RIEGL公司推出的RIEGL VZ - 1000激光掃描 儀，其采用了脈沖法測距方式，擁有RIEGL獨(dú)一無二的全 波形回波技術(shù)和實(shí)時全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每 秒可發(fā)射高達(dá)300 000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá) 0.000 5°

9、;的角分辨率,掃描距離可達(dá)1.4 km。除此以外， 基于RIGEL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，能夠產(chǎn)生 完全線性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點(diǎn) 云線。接口方面預(yù)留了 GPS和數(shù)碼相機(jī)接口，可在儀器 上部連接GPS設(shè)備進(jìn)行實(shí)時定位，連接數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行影 像同步采集。RIEGL VZ -1000激光掃描儀的基本性能參 數(shù)見表1。表1 RIEGL VZ -1000激光掃描儀參數(shù)表儀器型號掃描距離（目標(biāo) 反射率為80%) /m掃描視場角(水平x垂直）/°測量精度mm / m測量速度點(diǎn)/s激光安全等級外部操作控制連接方式RIEGLYZ -10001.5-1 400360 x1005

10、 /100300 000Class IPC, PDALAN/WLAN,無線Fig. 3 Deformation monitoring basic flowchart為地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描觀測的控制點(diǎn)（如圖4 所示）。3技術(shù)路線設(shè)計(jì)變形監(jiān)測的任務(wù)是確定在各種荷載和外力作用下， 變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征； 目的是要掌握變形體的實(shí)際狀態(tài)，為判斷其安全提供必 要的信息。在實(shí)際作業(yè)時，根據(jù)變形監(jiān)測的特點(diǎn)，其坐標(biāo) 系統(tǒng)可采用獨(dú)立的變形監(jiān)測坐標(biāo)系統(tǒng)，也可與城市控制 或國家坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)測?；谌S激光掃描技術(shù)的變形監(jiān) 測基本流程如圖3所示。4邊坡監(jiān)測本次對某立交橋的部分邊坡?lián)鯄M(jìn)行

11、監(jiān)測。前期采 用常規(guī)手段對該擋墻進(jìn)行監(jiān)測，已布設(shè)了變形監(jiān)測基準(zhǔn) 點(diǎn)和工作基點(diǎn)，經(jīng)檢校其滿足變形監(jiān)測精度要求，直接作圖4大橋立交邊坡?lián)鯄ψ冃伪O(jiān)測控制示意圖4.1數(shù)據(jù)采集掃描數(shù)據(jù)外業(yè)采集,采用“測站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的測量方 式，在DQ1上架設(shè)掃描儀，在DQ2和DQ3上架設(shè)標(biāo)靶，其 中DQ3作為后視定向點(diǎn),DQ2作為檢校點(diǎn)。掃描測站點(diǎn)距 監(jiān)測擋墻20 m左右，為保證較高的采樣精度和外業(yè)作業(yè)效 率，點(diǎn)云分辨率設(shè)置為100 m距離0.05 m,每次掃描時間在 10 min左右,每站對監(jiān)測目標(biāo)掃描4次。在常規(guī)觀測的同 時，選取部分邊坡?lián)鯄?，采用掃描儀進(jìn)行了兩期掃描。4.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

12、隨機(jī)軟件Riscan Pro中， 同時將控制點(diǎn)坐標(biāo)信息錄入到軟件中，運(yùn)用軟件的Back- sighting orientation 功能對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 得到在 大地坐標(biāo)系下的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在 許多雜點(diǎn)和多余數(shù)據(jù)，通過對其進(jìn)行剔除處理，得到擋墻 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將通過預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以通用的文本格式輸出， 以便后期第三方軟件調(diào)用。4.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模采用Geomagic Studio軟件，是由美國 Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，可輕易地 從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng) 格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，也可根據(jù)任意實(shí)物零 部

13、件自動生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。將預(yù)處理輸出的文本格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)入Geomagic audio軟件中，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色、離散點(diǎn)刪除、去 噪、抽稀、封裝，得到三角網(wǎng)模型后，利用軟件的“松弛”功 能對三角網(wǎng)模型進(jìn)一步優(yōu)化，使三角網(wǎng)模型更加平滑，接 近真實(shí)實(shí)體。分別將兩期數(shù)據(jù)按上述流程進(jìn)行處理，把得到的三 角網(wǎng)模型導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件進(jìn)行變形分析。4.4邊坡變形分析邊坡分析軟件采用美國Geomagic公司提供的 Geomagic Qualify,這個軟件可以準(zhǔn)確、快速地檢測到CAD 三維數(shù)字參考模型與實(shí)際構(gòu)造部件之間的尺寸誤差，并 自動地將這種比較結(jié)果的差異以直觀、易懂的色譜圖形

14、 式顯示出來，可以進(jìn)行形位誤差的比較、評估等。將經(jīng)過處理得到的兩期三角網(wǎng)模型調(diào)入Geomagic Qualify軟件中，將第一期數(shù)據(jù)設(shè)置為參考數(shù)據(jù)，第二期數(shù) 據(jù)設(shè)置為測試數(shù)據(jù)。運(yùn)用“3D比較”功能對模型數(shù)據(jù)進(jìn) 行比較（如圖5所示）。圖5 3D比較分析通過3D比較分析，得到兩個模型之間的最大偏差正 負(fù)分別為+ 0. 012 3 m和-0. 014 7 m;平均偏差為 0.000 2 m,正負(fù)分別為 + 0.001 8 m和- 0.002 4 m;標(biāo)準(zhǔn) 偏差為0.002 8 m?？梢钥闯鰞善跀?shù)據(jù)表面偏差分布不均 勻，出現(xiàn)該情況的原因是邊坡表面不平滑，導(dǎo)致建立的模 型表面平滑度不高所致。根據(jù)其平均偏

15、差在毫米級且值 很小，說明兩期數(shù)據(jù)之間沒有發(fā)生明顯變化。在3D分析結(jié)果基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件提供2D比較功能， 在邊坡?lián)鯄ι戏謩e截取一個橫截面和縱截面，對兩個截 面上的兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。通過2D比較得到的結(jié)果見表2。表2 2D分析結(jié)果截面最大偏差/m平均偏差 /m標(biāo)準(zhǔn)偏正負(fù)正負(fù)差 /m橫截面+ 0.008 7-0.008 7+ 0.001 1- 0. 007 10.003 5縱截面+ 0.008 9-0.007 9+ 0.001 7-0.004 10.002 7 從以上方法分析得出的結(jié)果可知，監(jiān)測的邊坡?lián)鯄?處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時與常規(guī)方法得出的結(jié)果進(jìn)行印證，結(jié) 論一致。該方法能夠滿足邊坡變形監(jiān)測要求。5結(jié)束語本文將地面三維掃描技術(shù)應(yīng)用到了邊坡變形監(jiān)測 中，引入用于逆向工程和三維檢測的第三方軟件進(jìn)行變 形分析。對具體的監(jiān)測技術(shù)路線和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了 探討，得出了一種新的邊坡變形監(jiān)測方法，為同類變形監(jiān) 測項(xiàng)目提供了參考。參考文獻(xiàn)：1楊俊志，尹建忠，