变形监测中三维激光扫描测量技术的应用研究

变形监测中三维激光扫描测量技术的应用研究

黄雯泽

中冶沈勘工程技术有限公司  辽宁  沈阳  1100011

摘要：地质灾害是自然灾害的一种，在没有得到有效防控的情况下会带来巨大损失，为加强对地质灾害问题的防控，可采用地面三维激光扫描技术完成变形监测，提前掌握地质变形结果，合理预控灾害问题的发生。根据三维激光扫描技术的优势，提高点云数据采集效率，通过对标靶标志法和DEM求差法的应用，及时对点云数据进行预处理与拼接处理，创建数字高程模型，再进行实验监测与平面拟合分析，提高变形监测结果的有效性，为相关变形测量工作的开展提供科学参考依据。

关键词：变形监测；三维激光扫描；测量技术；DEM求差法

引言：我国地域辽阔，但地质条件比较复杂，面对频发的地质灾害情况，应采用不同的方法完成对地质情况的有效监测分析，从而尽可能的降低地质灾害带来的影响。将三维激光扫描仪用在变形监测工作中，经过点云数据的比较分析，完成对不同时段被测对象的监测，从中得到点云数据，经过数据预处理与拼接，比较后发现变化的信息。选用两期数据进行实验验证，最终得出扫描仪精度结果，形变的位置也会在激光扫描仪中显示出来。

1 三维激光扫描测量技术的应用优势

三维激光扫描测量系统主要包含扫描仪、系统软件、电源和响应附属设备。扫描仪的构造中包含激光测距系统、反射棱镜、水平与高度角偏转控制器、数据处理器等装置，在两个偏转控制器的作用下完成对反射棱镜转动的控制，确保激光测距系统发射出的激光可以沿着横纵轴两个方向移动，实现扫描测量。测量扫描仪的中心到目标点之间的斜距，以及激光束水平与竖直偏转角，从而获得其中的三维坐标，经过数据采集后得到所需点云，根据点云确定目标采样结果。

从系统运行平台角度来看，三维激光扫描仪的使用主要有以下几种类型：首先，机载型激光扫描系统，其构成包含扫描仪、GPS、导航系统与动态差分等部分，该系统的运行可以在较短时间范围内采集大量三维点位数据，根据采集到的影像信息，扩大系统测量范围，提高系统运行速度，使其被用来完成变形观测。其次，车载激光扫描系统将扫描仪与相机设备采集到的数据归集到一起，以此作为三维建模的重要源数据，车载系统用于变形监测环节，系统难度较大，这是未来测绘领域发展的研究重点。其次，地面激光扫描系统，与其他系统不同，这是一种固定扫描系统，与全站仪的使用基本相同，经过研究后得知地面扫描系统的使用精度能够更好的满足变形监测的技术要求，该系统适合用于矿区沉降或隧道变形监测。最后，便携式激光扫描监测系统，该系统适合个人应用，作为一种手持形式的激光测距系统，可用于物体长度、面积的精准测量，提高测量准确度。

激光扫描测量系统对目标的测量所得到的目标点空间坐标一般以仪器坐标系为基准，不同测站的三维坐标没有处于同一坐标系中。如图1所示，仪器坐标系就是将激光反射的位置作为坐标的原点，Z轴位于扫描仪垂直扫描面向上为正,X轴和Z轴垂直，被测目标点的坐标就是P（X,Y,Z）。

图 1 三维激光扫描测量原理

上世纪90年代中期开始兴起三维激光扫描技术，作为一种高新测量技术，同时这也是实景复制技术，是继GPS技术之后的有一项测绘技术发展，采用高速激光扫描测量的手段，大面积且高分辨率的获取目标三维坐标数据，从中采集空间点位信息，完成对变形情况的实时监测。三维激光扫描测量技术在变形监测工作中具有以下技术优势：（1）单点定位精度较高，可以达到亚厘米级。从某种程度来讲，三维激光扫描仪是可以取代传统测量仪器的，能够更高效的完成变形测量任务。（2）点云数据采集效率高。从技术应用的实际情况来看，三维激光扫描能够以更高的精度进行点云数据采集，合理设置监测点，解决过去变形监测中的局部化与片面化问题[1]。与近景摄影测量变形监测相比，三维激光扫描测量技术无法呈现出连续的三维模拟数据场，相比之下该技术可以对后续数据进行处理，准确的生成三维数据模型，彰显技术的应用优势，根据变形监测对象完成对数据与变形结果的判断分析。

2 三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用

2.1标靶标志法

对变形监测区域进行研究分析时，需重视不同稳定且均匀分布的标靶，发挥三维激光扫描仪的应用作用，分析不同时段的区域情况，经过后续处理后，提取标靶分辨的中心坐标，按照各时段坐标变化情况得出变形信息。采用标靶标志法时，需要合理设置监测点，探究点水平位移情况，与传统方法相比，标靶标志法在精度方面更理想，结合具体使用对象，保障方法使用的有效性，突出标靶标志法在三维激光扫描中的应用优势[2]。

2.2DEM求差法

DEM求差法适合用在地表变形监测中，研究扫描仪在不同时段的情况，对点云数据进行处理，创建数字高程模型，建立各时段内DEM统一坐标系统，再经过对比相减，从中得到区域内对应坐标的下沉值。由于不同时段中点云数据确立的DEM有所差异，为对相同水平坐标点的高程变化情况进行对比，应参考初始数据，再对DEM内插计算，将坐标相邻点高程进行加权平均值，并作为这一点的高程。在分析点的水平位移时，为了更好的分析地表水平移动规律，可以将DEM求差法与其他方法联合应用，提高变形监测的实效性。

点云数据生成DEM，先对点云数据投影，稀释点云，再倒入点云数据，通过“点云模型生成工具”，添加拼接后的数据，确定相应的投影方式，按照实际情况设置网格的大小，比如1m，随后生成投影文件。导入投影文件，通过三维视图查看投影效果，在没有噪声点的情况下继续生成DEM文件，对于“.tif”的DEM与由DEM到TIN的情况，可以导出DEM和TIN文件。打开DEM，工具栏内选择模型渲染方式，确定模型视图，如图2所示。

图 2 实体渲染后的DEM视图

根据图2中实体渲染后的DEM试图，将点云数据生成的DEM文件导入ArcGIS10.2内，体现等高线信息。经过工具栏表面分析，输入DEM栅格数据，确定输出要素，输入等值线间距和起始高程数据，最终可得到区域内等高线分布图，具体如图3所示[3]。

图 3 两期等高线分布对比

提取等高线之后，得知两期数据高程处于43.91-48.21m范围内，土坡顶部为南朝向，从图3中得知两期扫描的数据中等高线结果基本相同，部分等高线间有差异存在，这可能与不同测站数据拼接误差有关，或者受软件算法的影响，两期数据在生成DEM时出现了偏差。在DEM变形分析时，需提取变形信息，将处理后的两期点云数据导出“.lsa”格式的文件，再将其导入进Cloud Compare软件内来显示，图4为两期数据处理结果。

图 4 两期数据处理结果对比

软件内支持不同点云数据格式，可以对变形量进行专业处理，经过点云对比计算各区域的变形量，选择两组数据，工具栏内选择计算2.5D体积，通过前后期数据比较，获得最终变形量，计算得出DEM发生的变形量情况。如图5所示，土坡坡面变形值是0，监测后得知该处位置没有产生变形问题，但是边界处存在噪声点，这是因为土坡和道路与其他坡面间的连接处存在点云去噪情况，所以会对最终的变形监测结果产生一定程度的影响。

图 5 两期数据差值比较

2.3模型求差法

2.3.1获取点云数据

根据上文提到的三维激光扫描测量原理，经过几何计算分析得知，被测目标点P（X,Y,Z）在扫描坐标系中的坐标具体如下：

公式当中，和分别指的是激光束的水平和竖直方向角；指的是仪器中心到扫描点之间的斜距。扫描测量得到目标表面各个点位的空间坐标，点数据的集合就叫做点云，接下来还需要进行点云数据的预处理、拼接处理与去噪处理，在专业化测量软件下完成对被测物体的三维建模。获取点云数据时，应掌握造成数据误差的来源，一般包含以下几种情况：（1）系统误差，这与仪器自身构造缺陷有关，比如仪器部件链接误差或调制光频率误差等，或者因激光束的发射特性造成的误差，一般可采用建立改正模型的方式来消除误差。（2）测量误差。比如测距时出现误差问题，在采用脉冲测距或相位测距等激光测距方法时会存在一定的误差数据。脉冲测距时，误差问题多来源于仪器中石英钟对激光束往返造成的计时误差；相位测距时，误差主要来源于激光束调制后的电磁波频率误差。

拟定扫描测量的目标是一个方形面状物体，选择三维激光扫描仪测量方式，探究被测物体的角度倾斜、水平与垂直方向的位移等变形情况。获取点云数据时，测量人员在测量区域周围选择一个基准点，要求该点稳定性较好，不会受外界环境的干扰，随后合理布设控制网，在已知三维坐标控制点中安装扫描仪，科学设置扫描参数，对单个测站进行数据采集，测量后将扫描仪搬到其他测站，按照上述步骤完成对点云数据的采集，直到所有测站的点云数据全部采集完成，此时变形测量工作中整个外业数据的采集正式完成。将点云数据导入系统软件，准备接下来的数据预处理工作[4]。

2.3.2点云数据预处理和拼接

变形测量工作中，采用断面三维激光的扫描方式拥有较多优势，三维激光测量技术不仅可以提高变形监测效率，还可以最大程度上提升监测结果的精度。根据点云数据的处理要求，选择Trimble和Leica等扫描仪的型号，各型号之间的差异十分明显。变形监测环节，需根据技术要求筛选仪器，特别是在边坡变形监测工作中，选用测程偏大的仪器。根据本文提到的内容，在变形测量工作中选用VZ-400扫描仪。

由于三维激光扫描仪在变形测量期间获得的目标物点云数据密度高，且数据量较大，数据采集时会存在一定的误差问题，导致点云数据内有噪声点出现。为更好的还原目标三维模型，应做好点云数据的预处理分析，完成数据配准、滤波平滑和数据缩减等操作，最后再进行数据三维建模，按照研究对象的三维模型特点，根据扫描仪的使用要求选择最佳点云数据预处理方式。

在点云数据的拼接工作中，使用扫描仪进行监测对象的扫描分析，搭设不同测站，从中获得测站内的点云数据，因测站的局部坐标系之间有着一定的差异，分析获取到的点云数据时，对不同数据拼接处理，随后将所有点云数据全部展示在同一坐标系内，经过点云数据的分析对比，完成对被测物体的变形情况研究。为统一坐标系，一般可以采用两种方法：一种方法是对不同测站数据进行配准处理，随后测量得出大地坐标，要求坐标数量必须在三个以上，配准后的数据可以在大地坐标中直接完成转换；另一种方法需要在测站内进行大地坐标的布置，随后完成数据直接转换，最后对数据对比分析即可。

2.3.3实验监测分析

经过点云数据的预处理后，对数据进行监测实验，选择小块方形的面状铝板为目标物，根据该目标物的体积与形状情况，点云数据的扫描一般可以分两期展开。完成所有点云数据的预处理后，需对结果展开后续变形分析。正常情况下，变形因素存在很多，区域上升和下降的变化所占影响较大。面对这一情况，可选择最小二乘拟合法进行目标平面方程的拟合。

2.3.4平面拟合分析

目标物不同，最终获得的点云数据也会不同，可采用最小二乘法进行数据平面拟合。很多建筑是由不同形状组合而成的，例如墙面和地板分别为长方形与正方形。经过观测后得到物体的点云数据，单独分析离散点的难度比较大，最终姿态结果难以保障。平面拟合分析方法的应用可以有效解决该问题，同时拟合建模精度已经超过了离散点。为了加强对点云数据的高效利用，可以对不同点云数据比较分析，找出相同点，及时做好数据的记录工作，为后续监测时数据的使用提供帮助，防止数据测量存在重复性。除此之外，可采用均匀采样法在扫描得到的两期点云数据内各选择10个数据点，再对这些数据点进行计算即可达到预期平面拟合分析结果。

总结：总而言之，与其他变形测量技术相比，三维激光扫描技术不仅采集速度快，且测量结果的精准性更高，可以广泛应用于变形测量工作中。根据目标物的实际情况，监测后得到更可靠的扫描结果，选择最佳点位为测量的基准点，经过数据预处理与拼接后，为后续变形监测结果分析奠定基础。

参考文献：

[1]林益新.三维激光扫描技术在滑坡变形监测中的应用[J].经纬天地,2022,No.209(06):19-21+26.

[2]王小亮.基于三维激光扫描技术的建筑物变形监测精度分析[J].经纬天地,2022,No.208(05):10-13.

[3]陈柱,商长君,杨建超等.三维可视化激光扫描技术在隧道变形监测中的应用[J].铁道勘察,2022,48(04):29-35.

[4]王凯.三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用[J].科技创新与应用,2022,12(18):166-169.