三維激光掃描儀在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

1、三維激光掃描儀在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用朱文龍萊鋼集團萊蕪礦業(yè)有限公司三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢，三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）。采用美國法如Focus3D三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，Scene和Geomagic掃描數(shù)據(jù)處理軟件獲得DEM數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，采用本技術(shù)可獲取邊坡的DEM及邊坡形態(tài)，為邊坡變形監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)報提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞三維激光掃描；DEM邊坡監(jiān)測邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取過程中需要大量的測繪點采集,少則幾萬個,多則幾百萬及以上，因此結(jié)構(gòu)面信息的快速高效

2、、全面準確的采集方法便成為評價邊坡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，然而傳統(tǒng)測量技術(shù)如采用GPS全站儀等，用它做邊坡建模工作時就很難實現(xiàn)。近幾年隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，將現(xiàn)實世界實體信息快速地轉(zhuǎn)換為計算機可以識別處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)變成現(xiàn)實非接觸測量；三維掃描采用非接觸進行測量，無需對目標物體表面進行任何處理，采集的數(shù)據(jù)真實可靠，適用于解決危險目標、環(huán)境及人員難以企及的情況。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為解決邊坡數(shù)據(jù)采集和分析提供了新方法和新手段,可以彌補傳統(tǒng)測繪方法采樣點少，難以反映變形的全部特征的缺點，它不但能夠?qū)崿F(xiàn)坡體快速數(shù)字化，還可以得到坡體表面三維信息，實現(xiàn)真正意義上的實景復(fù)制。1掃描儀在測量中的應(yīng)用1.1三維激光

3、掃描原理三維激光掃描儀的工作過程，實際上就是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點（坐標x,y,z，其坐標系是一個與掃描儀設(shè)置位置和掃描姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標系）所組成的點云圖來表達系統(tǒng)對目標物體表面的采樣結(jié)果。我單位使用的儀器為美國法如Focus3D三維激光掃描儀，F(xiàn)ocus3D使用相位偏移技術(shù)測量距離。通過測量紅外線光波的相位偏移，即可準確判斷掃描儀到對象的距離，之后通過使用角度編碼器測量Focus3D的鏡像旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)，計算各點的X、Y、Z坐標，會同時使用距離測量對這些角度進行編碼，距離、垂直角度和水平角度組成極坐標（S,a,3），該坐標隨后用x=sxcosacos

4、3，y=sxsinacos3，z=sxsin3轉(zhuǎn)換為大地坐標（x,y,z），掃描儀可覆蓋360 x305的視野。1.2數(shù)據(jù)采集流程利用全站儀或GPS測得標志點(反光板)的三維坐標，用三維激光掃描儀進行掃描，采集到的信息分為兩部分，包含精確深度信息的點云數(shù)據(jù)，及由7000萬像素組成的彩色照片信息，兩者可以耦合，偏差不超過過一像素。在實際應(yīng)用中的點云處理主要分為兩部分，一部分是在Scene軟件中完成點云的導(dǎo)入、預(yù)處理、注冊拼接及導(dǎo)出；點云拼接是點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，把各個局部坐標系通過坐標變換統(tǒng)一到一個坐標系中，從而把多個角度的掃描數(shù)據(jù)合成完整的三維物體。三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)拼接中借助獨立坐

5、標系中實地測量控制點的坐標，對標志點(反光板)進行點云數(shù)據(jù)絕對定位基準時，掃描后數(shù)據(jù)點位誤差在2-6mm范圍內(nèi)，由于在各景拼接時，會存在拼接誤差，所以拼接后掃描數(shù)據(jù)點位誤差大概為5cm左右三維激光掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢:1數(shù)據(jù)采樣率高；采用相位式激光掃描儀最高可以達到97.6萬點/秒，可見采樣速率是。另一部分是在Geomagic軟件中進行點云數(shù)據(jù)簡化建模，生成邊坡區(qū)域DEM，邊坡DEM提取轉(zhuǎn)換為CADDX格式。并用南方CASS7.1軟件生成描述邊坡形態(tài)的地形圖，為邊坡變形監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)報提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)已知的控制點和提取出的高程點，通過比較相同水平坐標點的高程變化來分析變形大小，邊坡形態(tài)描述三角網(wǎng)(

6、DTM)、等高線、邊坡地形圖等均能夠描述坡體的形態(tài)。以某邊坡的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，如下圖所示，由于邊坡是一個不規(guī)則的幾何體，用全站儀測量出的邊坡表面數(shù)據(jù)是由十幾個或幾十個測點組成的，并不能代表整個邊坡表面準確值，而三維激光掃描儀能夠測量出大量的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)成的三角網(wǎng)得出的數(shù)據(jù)更加準確。傳統(tǒng)測量方式難以比擬的。主動發(fā)射掃描光源；三維激光掃描儀通過自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標物體的數(shù)據(jù)信息，所以在掃描過程中可實現(xiàn)不受掃描環(huán)境時間和空間的約束。高分辨率、高精度；三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù),可以對掃描目標進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集。數(shù)字化采集,兼容性好；三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)

7、據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，易于后期處理及輸出。兼容Rhino、Polyworks、Geomagic、Microstation等第三方軟件。與傳統(tǒng)測量如全站儀、GPS相比，可以對某一指定點進行測量從而精確獲取其坐標。結(jié)束語三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù),運用三維激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，進行特征提取，精確獲得整個坡體地面任何時刻的變化狀況。因此，三維激光掃描技術(shù)具有絕對的先進技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力，這種監(jiān)測方法具有無需事先埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，非接觸測量，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優(yōu)點，比較適合大型邊坡的監(jiān)測，具有一定的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。參考文獻翟瑞芳,張劍清.基于激光掃描儀的點云模型的