三維激光掃描監(jiān)測-技術(shù)方案

1、大渡河猴子巖水電站開頂變形體三維變形監(jiān)測技術(shù)方案四川大學(xué)二八年二月第 1 章 概 述 -1 -1.1 工程概況 -1-1.2 三維激光掃描 -1-1.3 主要研究內(nèi)容 -2-第2章現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理 -3-2.1 現(xiàn)場掃描 -3-2.2 數(shù)據(jù)處理 -4-第3章危巖體初步勘察 -5-第4章三維變形監(jiān)測分析 -7-4.1 三維變形監(jiān)測 -7-4.2 變形破壞模式分析- 8 -4.3 現(xiàn)場變形破壞輔助分析- 9 -第 2 章 現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理第 1章 概 述1.1 工程概況開頂變形體位于丹巴縣格宗鄉(xiāng)開繞村大渡河右岸，省道S211 K9+000-K9+380 段。變形體橫河方向長度約460m，順

2、河方向長度約490m，變形深度平均25m，總體積約400 萬 m3。該變形體淺表部為崩坡積層大孤石塊碎石土，下伏為志留系綠片巖，含有千枚巖，巖層內(nèi)有層間擠壓破碎帶。巖層產(chǎn)狀為N30° W/NE 45°55°，為縱向谷順向坡。該變形體為基巖順層滑移拉裂變形。1-1 開頂變形體全貌1.2 三維激光掃描1. 原理三維 (3D)激光掃描技術(shù)又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”， 是上世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)新突破。它是利用激光測距的原理，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、 高分辨率地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)（x， y， z

3、）、反射率、顏色（R， G， B）等信息（圖1-2、 1-3），由這由這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速復(fù)建出1:1 的真彩色“實(shí)景復(fù)制 ”模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。1-2 果三維激光掃描示意圖1-3 三維激光掃描工作原理示意圖2. 功能由于三維激光掃描技術(shù)能夠高精度（毫米級）、高密度（點(diǎn)云間距5-10 mm）、快速 （10min/次 ）地獲取掃描對象空間信息，因此相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，該技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量跨越到面、體空間測量的革命性技術(shù)突破。它完全顛覆了傳統(tǒng)的工程建模與量測的模式： 工程建模方面，完全顛覆了設(shè)計(jì)圖紙 產(chǎn)品的過程，真正實(shí)現(xiàn)了對象點(diǎn)云 實(shí)景模型的逆向化建模

4、過程，這使得繁雜、龐大、 抽象的工程（或自然）對象變得具體、精細(xì)、可感知；工程量測方面，使傳統(tǒng)的點(diǎn)、線、面一二維量測升級到三維的體、場量測。1.3 主要研究內(nèi)容本項(xiàng)目通過先進(jìn)的三維激光掃描技術(shù)精確獲庫岸邊坡變形體的整體空間信息，通過不同時(shí)間段空間信息的對比分析，監(jiān)測并研究變形體三維變形時(shí)空演化規(guī)律，形成預(yù)警機(jī)制，結(jié)合現(xiàn)場地勘、監(jiān)測數(shù)據(jù)，論證邊坡推覆型滑坡是否形成，輔助判斷變形體失穩(wěn)模式、發(fā)展?fàn)顟B(tài)及失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，并為邊坡安全控制及永久治理提供輔助決策。掃描頻率初定為7 天， 可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行有效調(diào)整，例如在前期許對危巖體變形狀態(tài)進(jìn)行加密監(jiān)測，在應(yīng)急搶險(xiǎn)完成后的永久加固和觀察期，掃描頻率可降低為一個(gè)

5、月一次。成果提交方式包括：1、邊坡整體三維變形場可視化分布圖，包括順河向位移場、橫河向位移場、豎直 向位移場、整體位移場等。2、典型或突變區(qū)域三維變形及其演化規(guī)律分析；3、結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘探、多重監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析邊坡失穩(wěn)模式失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，失穩(wěn)預(yù)測 及預(yù)警。第 2 章 現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理2.1 現(xiàn)場掃描采用瑞格VZ-400( RIGEL VZ-400)三維激光掃描儀對變形體所在區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場三維激光掃描。結(jié)合圖1-1 及其現(xiàn)場踏勘情況，采用移動式掃描測站的布設(shè)方式，沿省道改線公路自下游往上游共布置監(jiān)測點(diǎn)20 站，為了保證精度，采用間隔布設(shè)控制點(diǎn)組的方式，每組控制點(diǎn)3 個(gè)，布置3 組，共 9 個(gè)控制點(diǎn)，

6、如圖2-1 所示。2-1 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)示意圖2.2 數(shù)據(jù)處理首先需要對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，采用改進(jìn)ICP 法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速拼接，提高拼接精度。 數(shù)據(jù)拼接時(shí)先對控制點(diǎn)所在區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行精確拼接，然后將非控制區(qū)域數(shù)據(jù)按距離拼接到最近的控制區(qū)域內(nèi)，最后對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行多站點(diǎn)平差。如圖2-2 所示，控制拼圖 2-2 拼接精度示意圖接精度 2mm 以內(nèi)。三維掃描獲取的三維點(diǎn)云包含噪點(diǎn)和一些不必要的信息，在數(shù)據(jù)使用前需對其進(jìn)行預(yù)處理?；覊m、內(nèi)部機(jī)械震顫等都會使掃描點(diǎn)云產(chǎn)生少量噪點(diǎn)，需將其刪除。對于灰塵產(chǎn)生的噪點(diǎn)一般都處在掃描鏡頭前方少量范圍內(nèi)，直接將其刪除即可。機(jī)械震顫產(chǎn)生的噪點(diǎn)也叫孤點(diǎn)，指的是以該點(diǎn)為球心的

7、一定范圍內(nèi)沒有其他點(diǎn)信息的點(diǎn)，通過MpatekI-Site studio 軟件內(nèi)置的算法將其刪除即可。在變形體所在區(qū)域的邊坡上存在大量的植被，對在S211 省道施工區(qū)掃描過程時(shí)，也不可避免的會將施工機(jī)械、堆積物、施工人員等不必要的信息包含在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，可采用自主開發(fā)的地形過濾的方式，采用保留最低點(diǎn)的算法將其剔除，圖2-3。圖 2-3 植被剔除示意圖7 / 9經(jīng)過濾后的點(diǎn)云可以通過三角曲面構(gòu)網(wǎng)，采用Delaunay算法，先對每個(gè)采樣點(diǎn)搜第 3 章 危巖體初步勘察尋可能的鄰近點(diǎn)，采用最大內(nèi)角最小化原則連成三角面片凸包，形成一個(gè)初始三角網(wǎng)；在此基礎(chǔ)上逐個(gè)加入其它離散點(diǎn)生成最終的三角網(wǎng)，圖2-4。2-4

8、 變形體區(qū)域三維模型示意圖第 3 章 危巖體初步勘察由于三維激光掃描數(shù)據(jù)覆蓋了整個(gè)變形體區(qū)域，也就獲取整個(gè)山體內(nèi)的露頭危巖體。通過辨識，可以圈定主要危巖體分布情況，如圖3-1 所示。危巖體危險(xiǎn)性初步評價(jià)：根據(jù)考慮危巖體的結(jié)構(gòu)尺寸及分布特征，結(jié)合現(xiàn)場地勘綜合判斷危巖體初步判斷危巖體的穩(wěn)定性，表3-1 所示。3-1 變形體分區(qū)及危巖體分布示意圖表 3-1 危巖體主要尺寸及危險(xiǎn)性評價(jià)9 / 9第 4 章 三維變形監(jiān)測分析第 4 章 三維變形監(jiān)測分析4.1 三維變形監(jiān)測采用三維實(shí)景復(fù)制模型的空間差值算法，計(jì)算變形體三維變形量值，以沉降、 向山體內(nèi)側(cè)變形為正，以向山體外側(cè)變形為負(fù)，并用顏色梯度代表變形大小，形成三維變形場，結(jié)果如圖4-1 所示。根據(jù)多期差值計(jì)算結(jié)果，研究變形區(qū)域的三維變形場演化情況，如圖4-1b 所示。a)三維變形場分布示意圖，單位：m14 / 9b）三維變形場演化規(guī)律，單位：m4-1 開頂變形體三維整體變形分布及演化規(guī)律示意圖4.2 變形破壞模式分析結(jié)合開頂變形體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、前期地質(zhì)勘探和現(xiàn)場變形破壞現(xiàn)象等相關(guān)數(shù)據(jù)與成果分析，對開頂變形體的變形破壞模式進(jìn)行推測分析，如圖4-2 所示。