三维激光扫描技术在变形监测中的应用李栋梁

三维激光扫描技术在变形监测中的应用李栋梁

李栋梁

黑龙江省水利水电勘测设计研究院黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。变形监测的任务就是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。

关键词：三维激光扫描技术；变形监测；

随着激光扫描硬件设备的升级优化，三维激光扫描仪与其他设备更加易于集成，数据采集简单迅速，可实时处理点云数据，快速构建三维模型。与传统变形监测方法相比，将三维模型用于变形监测更加全面，自动化、智能化强度高，实时性好，且精度高。

一、三维激光扫描技术在变形监测中存在的问题

虽然三维激光扫描技术在变形观测中的应用越来越广泛，理论研究越来越成熟，然而仍有很多存在的问题限制了它在变形观测领域的发展，主要有：（１）现有的变形监测一般是基于监测点的变形观测，这不完全适合基于三维激光扫描技术的变形监测，所以无监测点的变形监测方法有待探究。（２）与三维激光扫描技术相关的精度评定和误差理论等必须进一步完善，如扫描过程中的遮挡问题，如果处理的不好将会大大影响变形观测的质量。（３）模型求差法中的变形量可以通过不同时段的两个三维模型进行整体对比来获得，这样就必然会涉及到模型匹配的问题。匹配的精度对变形量的获取精度有着直接的影响。（４）目前为止，在变形监测的数据精度和模型精度上还没有一个统一的精度评价体系。

二、三维激光扫描技术在变形监测中的优点

1.三维激光扫描仪的单点定位精度一般能达到亚厘米级，甚至其模型精度还要远高于这个精度。目前，针对三维激光扫描技术能否应用于变形监测中这一问题，很多研究人员都做了大量的试验，试验结果证明三维激光扫描仪完全可以代替传统测量方式来进行变形观测测量。

2.与基于传统测量或ＧＰＳ的变形监测技术相比，三维激光扫描仪能高效率、高精度地采集到目标表面的点云数据，有效地避免传统变形监测技术中，采用设置监测点方法（即以点代面的分析方法）所带有的局部性和片面性。

3.与基于近景摄影测量的变形监测技术相比，尽管三维激光扫描技术无法像近景摄影那样能形成基于光线的连续三维模型数据场，但它比近景摄影具有更高的工作效率，并且其后续数据处理也更为容易，能快速准确地生成监测对象的三维数据模型。

4.与传统的测量技术相比，三维激光扫描仪还具有非接触性，数字化、可视化性，自动化，实时、动态性等优点。

三变形分析的方法

1.方法介绍。在使用该技术对变形的情况进行监测时，主要是利用点云数据进行比较，具体是在不同时期下对对象进行监测，然后获取到相关的点云数据，将获取到的点云数据进行比较，通过比较找出发生变化的信息，然后对这些信息数据进行分析，进而实现对变形情况的监测。

2.点云之间的比较。利用点云直接进行比较，是先在不同时期下获得点云数据，然后对这些数据作差，以此来获得监测对象具体的形变量，常用的方法有三种：一是最佳拟合面；二是Hausdorff距离法；三是平均距离法。但是后两者在使用的过程中容易受数据质量影响，因此主要是对最佳拟合面进行分析，并以此来对点云数据间存在的差异进行提取。该方法的具体步骤分为四步，第一步是先获取到两期的点云数据，之后对选定的数据进行滤波处理，以此来清除在监测过程中测得的噪声点。第二步是建立针对性的索引结构，如格网索引以及八叉树等，以此来提升对数据的查找效率。第三步是对于所选择第二期的点，在之前一期中K邻域进行查找。第四步是利用K邻域点制作成平面。然后对其他需要分析的点到平面的距离进行计算，将计算的结果与阈值进行对比，距离大于该值，则将其视为变化点。

3.点云模型之间的比较。模型之间对比相较于上文的方法，多了一个过程，就是在获得监测对象的点云数据之后，先按照这些点云数据建立相关的模型，其次直接对模型进行求差，或者比较其相关的关系，以此来对监测中产生的变量信息进行提取。在对地形数据进行提取时，可以先根据数据制作成DEM模型，然后在该模型上对变量进行提取。具体的模型比较步骤分为四步，一是先获取到相关的点云数据，对这些数据统一进行滤波处理，以此来消除在获取数据的过程中受到外界干扰较大的数据，保证数据的精确性；二是利用处理之后的数据进行模型的构建；三是对各个数据建立模型之后的坐标系以及精度进行统一，以前期数据建立的模型为评判模型，将之后建立的模型使用内插的方法插入到评判模型当中，然后对模型图中的所有坐标进行统一，进而使得建立的模型更加准确；四是根据模型上面显示出来的变化情况来对变形的程度进行分析。

四、三维激光扫描技术在变形监测中的方法

从当前三维激光扫描技术在变形监测中的发展现状来看，其方法主要有以下三种：

1.标靶标志法。在研究区域安装多个稳定的、均匀分布的标靶，用三维激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，在后续处理中将标靶分辨出来提取中心坐标，通过比较各时段标靶中心坐标的变化来提取变形信息。这种方法类似于传统的设置监测点的方法，可以同时获取点的水平位移情况。相对于传统变形监测的方法，这种方法精度更高，但无法充分发挥三维激光扫描技术的优势。

2.ＤＥＭ求差法。这种方法一般运用于地表的变形监测，利用三维激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，将两次或多次获取的点云数据经过数据预处理后，建立高精度的数字高程模型（ＤＥＭ），同时将各时段的ＤＥＭ统一坐标系统，进行不同时段的ＤＥＭ比较相减，就可以得到整个区域对应任意坐标的下沉值。我们可以基于Ｍａｔｌａｂ和ＣＡＤ等相关软件将变形值制成断面图、曲线图、三维变形曲面图来反映变形情况：基于不同时间段的点云数据建立的ＤＥＭ是不一样的，有时为了比较相同水平坐标点的高程变化，我们需要以初始ＤＥＭ数据作为参考，将后面的ＤＥＭ进行内插计算，即以某坐标相邻点的高程加权平均值作为该点高程。有时我们为了研究一些点的水平位移，或为了研究地表水平移动的规律，通常与传统监测方法结合使用。

3.模型求差法。这种方法一般运用于建筑物、隧道等空间物体的变形监测中，利用三维激光扫描仪获取物体的点云数据，经过数据预处理后生成物体的表面模型，或进行三维建模，将不同时段内的模型统一到同一坐标系中，以不同时段的模型进行对比分析可以提取变形量。可以看出，ＤＥＭ求差法其实是模型求差法的一种特别运用。

五、三维激光测量技术的应用

1.选择地面三维激光扫描仪。在变形测量的过程中使用地面三维激光的方式有着诸多的优点，其不仅可以提升监测的效率，还可以保证监测的精度。而对于扫描仪的型号，随着其应用范围的扩大，也变的越来越多。包括有Trimble、Leica等，其不同的型号也存在有较大的差异，所以，在实际的变形监测当中一定要结合具体的要求进行仪器的筛选。在对边坡的变形进行监测时，由于需要进行大范围的测量，所以在测程的选择上应该选择测程相对较大的仪器，诸如VZ-400扫描仪。

2.点云数据的拼接。该扫描仪对监测对象进行扫描时，需要搭设多个测站，然后获取每一个测站的点云数据，由于测站的局部坐标系存在差异，因此在对获取到的数据进行分析时，需要先将不同的点云数据进行拼接，然后将其展示到一个相同的坐标系上，对点云数据进行具体地分析对比，之后对变形情况进行分析。为了对不同的坐标系进行统一，通常使用的方法有两种，一种是先对不同的测站进行数据的配准，然后测出大地坐标，坐标的数量不得低于三个，随后将已经配准过的数据直接在大地坐标上进行转换。第二种是在每一个搭建的测站上都布置大地坐标，然后将数据直接进行转换，最后进行对比分析。

总之，在未来的社会发展过程中还应不断地摸索出更加先进的监测方法，以此来对原有的监测方法进行改进优化，在保证精度的同时，还能在最大程度上提升监测的效率，进而实现自身的长足发展。

参考文献：

［1］岳露．变形监测理论与技术研究进展．2017.

［2］王友柳．浅谈三维激光扫描技术在变形监测中的应用.2018.