陳弘奕，胡曉斌，李崇瑞，3

(1.山西省測(cè)繪工程院，山西 太原 030002；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳弘奕1，胡曉斌2，李崇瑞1，3

(1.山西省測(cè)繪工程院，山西 太原 030002；2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

介紹了將地面三維激光掃描儀應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)處理流程和數(shù)據(jù)分析方法，并針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了點(diǎn)云和點(diǎn)云直接比較、點(diǎn)云生成模型后比較兩種變形分析方法；在此基礎(chǔ)上，編制了基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形分析軟件，并設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩種變形分析方法的有效性及激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。

點(diǎn)云；掃描儀；變形監(jiān)測(cè)；地形

一、引 言

我國(guó)是世界上遭遇地質(zhì)災(zāi)害影響較嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年因崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元。因此，如何對(duì)重要區(qū)域進(jìn)行有效的災(zāi)害監(jiān)測(cè)具有重要的研究意義。目前，國(guó)內(nèi)外滑坡災(zāi)害主要監(jiān)測(cè)方法包括地表變形監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)、環(huán)境影響因素監(jiān)測(cè)等。其中地表形變監(jiān)測(cè)是滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要內(nèi)容和有效手段[1]。傳統(tǒng)的地表變形監(jiān)測(cè)手段主要是應(yīng)用GPS和全站儀對(duì)重要點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，然而，這種觀測(cè)手段的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少，無(wú)法對(duì)滑坡體進(jìn)行整體監(jiān)測(cè)，并且在地形復(fù)雜區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)困難，外業(yè)工作量大，成果獲取周期長(zhǎng)，大大影響監(jiān)測(cè)效率。隨著地面三維激光掃描儀的出現(xiàn)，利用高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)成為一種很好的途徑。

近年來(lái)國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)地面三維激光掃描儀在變形測(cè)量中的應(yīng)用作了一系列研究。如文獻(xiàn)[2]研究了利用DEM數(shù)據(jù)與地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)分析變形信息。文獻(xiàn)[3]利用3D多項(xiàng)式曲面擬合地面激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[1]將掃描場(chǎng)景數(shù)據(jù)分割成相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊，利用最小二乘的方法對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，然后計(jì)算每個(gè)獨(dú)立曲面在不同時(shí)期探測(cè)到的變形量，對(duì)得到的變形信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。本文在深入了解國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了地面激光掃描儀在變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的掃描儀選擇、數(shù)據(jù)處理以及變形分析方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了地面激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。

二、三維激光測(cè)量技術(shù)

1.地面三維激光掃描儀的選擇

地面三維激光測(cè)量因其能夠快速、高效地獲取高精度、高密度的監(jiān)測(cè)對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大大提高了作業(yè)效率，近年來(lái)發(fā)展迅速，且被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。目前，Riegl、Trimble、Leica等主要儀器生產(chǎn)廠商提供的儀器型號(hào)眾多，不同型號(hào)的儀器性能參數(shù)差異較大，因此，根據(jù)掃描需求選擇合適的掃描儀型號(hào)尤為重要。對(duì)于滑坡體的變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一般測(cè)量范圍較大，需要選擇測(cè)程較長(zhǎng)的掃描儀，本研究選用了Riegl公司VZ-4000掃描儀，該掃描儀的最大有效掃描距離可達(dá) 4000 m，150 m測(cè)量精度15 mm，重復(fù)測(cè)量精度10 mm，水平掃描范圍360°，垂直掃描范圍60°，掃描速度每秒30 000點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足一般變形監(jiān)測(cè)的需求。

2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

地面三維激光儀掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在以測(cè)站為中心的局部坐標(biāo)系下，在不同測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系并不統(tǒng)一。如果在掃描過(guò)程中布設(shè)了多個(gè)測(cè)站，就需要對(duì)多站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。同時(shí)，變形監(jiān)測(cè)是對(duì)獲取的多期點(diǎn)云進(jìn)行比較分析，因此，各期的掃描數(shù)據(jù)也必須統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下。目前有兩種常用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一：①先將多個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，然后測(cè)得3個(gè)以上標(biāo)靶的大地坐標(biāo)，將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下；②對(duì)每一測(cè)站分別布設(shè)3個(gè)以上的標(biāo)靶并測(cè)得標(biāo)靶的大地坐標(biāo)，將每一測(cè)站數(shù)據(jù)都直接轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下?？紤]到變形監(jiān)測(cè)范圍較大，布設(shè)標(biāo)靶要滿(mǎn)足每個(gè)測(cè)站都能觀測(cè)到比較困難，因此本研究采用第二種方法，即在每一測(cè)站的布設(shè)3個(gè)以上的標(biāo)靶，直接進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[1]。

3.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量設(shè)備、測(cè)量環(huán)境、表面光潔度、表面涂層對(duì)光線(xiàn)的反射率以及人為操作等因素的影響，都會(huì)不可避免地引入不合理的測(cè)量數(shù)據(jù)(即噪聲)，而這些噪聲點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理有很大的影響，為了保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波處理。點(diǎn)云噪聲濾波主要是根據(jù)點(diǎn)云的局部屬性，以點(diǎn)云局部的法向量變化、K鄰域數(shù)目以及點(diǎn)到局部擬合曲面的距離等約束屬性來(lái)判斷某點(diǎn)是否屬于孤立噪聲或隨機(jī)噪聲，然后采用對(duì)應(yīng)的濾波方法進(jìn)行濾波處理。對(duì)于孤立點(diǎn)噪聲，由于其一般具有鄰域點(diǎn)較少或不存在鄰域的特征，因而在孤立點(diǎn)的濾波過(guò)程中，可以較為簡(jiǎn)單地在點(diǎn)云K-D樹(shù)索引基礎(chǔ)之上，通過(guò)判斷該點(diǎn)一定鄰域范圍的鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)是否小于判定閾值來(lái)判斷是否為孤立點(diǎn)。算法說(shuō)明如下：

1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造K-D樹(shù)，建立點(diǎn)云拓?fù)潢P(guān)系。

2)求點(diǎn)云中任意一點(diǎn)鄰域范圍內(nèi)鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3)判斷鄰近點(diǎn)個(gè)數(shù)是否小于判定閾值，若小于則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲點(diǎn)并去除。

4)重復(fù)上述步驟，直至點(diǎn)云中所有點(diǎn)都處理完畢。

如圖1(a)所示，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在大量的孤立點(diǎn)噪聲，在通過(guò)孤立點(diǎn)噪聲濾波后，噪聲數(shù)據(jù)基本被剔除，如圖1(b)所示。

圖1 孤立點(diǎn)噪聲濾波

三、變形分析方法

地面三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)就是要通過(guò)提取監(jiān)測(cè)對(duì)象在不同時(shí)相的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加以比較，以獲得發(fā)生變化的信息并據(jù)此加以分析。與GPS或者全站儀測(cè)量等傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方式不同的是，地面三維激光掃描監(jiān)測(cè)并沒(méi)有明確的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)用于直接計(jì)算變形程度，需要通過(guò)間接計(jì)算提取變形信息，本文研究了兩種變形信息提取的方法：點(diǎn)云和點(diǎn)云直接比較、點(diǎn)云所成模型間的比較。

1.點(diǎn)云和點(diǎn)云直接比較

點(diǎn)云和點(diǎn)云的直接比較就是將不同時(shí)相同一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接求差來(lái)提取監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形量。常用的比較方法有平均距離法、Hausdorff距離法、最佳擬合面法。其中平均距離法、Hausdorff距離法受點(diǎn)云質(zhì)量影響較大，本文采用最佳擬合面法來(lái)提取變化信息。最佳擬合面法的具體步驟如下：

1)對(duì)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲點(diǎn)。

2)為兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立索引結(jié)構(gòu)(K-D樹(shù)、八叉樹(shù)、格網(wǎng)索引均可)，加快查找效率。

3)對(duì)于第二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)，尋找其在第一期數(shù)據(jù)中的K鄰域。

4)將K個(gè)鄰域點(diǎn)擬合成平面，并計(jì)算待判斷點(diǎn)到平面的距離，將距離大于閾值的標(biāo)識(shí)為變化點(diǎn)。

2.點(diǎn)云所生成模型間的比較

模型和模型的比較就是將不同時(shí)相下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別建立各自的模型，再通過(guò)模型求差或模型參數(shù)比較的方式來(lái)檢測(cè)出形變并提取相關(guān)變形量，對(duì)于地形數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，可以直接從生成的DEM模型上提取變化信息?；贒EM模型的變形監(jiān)測(cè)步驟如下：

1)對(duì)兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲點(diǎn)和非地形數(shù)據(jù)。

2)對(duì)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別構(gòu)建DEM模型。

3)統(tǒng)一DEM模型坐標(biāo)系和精度，以第一期DEM為基準(zhǔn)，對(duì)第二期DEM進(jìn)行內(nèi)插，統(tǒng)一格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。

4)計(jì)算相同格網(wǎng)點(diǎn)的高程變化值來(lái)分析變形大小。

四、試驗(yàn)與分析

為了對(duì)本文算法進(jìn)行驗(yàn)證，采用VC＋＋編制了點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形分析軟件。該軟件具備點(diǎn)云管理、點(diǎn)云渲染、點(diǎn)云漫游、點(diǎn)云選擇、點(diǎn)云濾波等基本操作功能，軟件界面如圖2所示。在此軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了兩種變形分析算法，并設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)以驗(yàn)證算法的有效性。

圖2 軟件界面

1.試驗(yàn)一

第一組試驗(yàn)?zāi)M了兩期數(shù)據(jù)，第一期掃描數(shù)據(jù)為墻面，第二期掃描數(shù)據(jù)在墻面上模擬了3處變形區(qū)域。如圖3中圓圈位置所示，分別放置了厚度為2 cm的書(shū)，3 cm的盒子以及6 mm的筆記本。掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示，這組試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用點(diǎn)云和點(diǎn)云直接比較的分析方法提取變化信息，設(shè)置的變化閾值為1.5 cm。

圖3 模擬變形場(chǎng)景

圖4 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

變化提取結(jié)果如圖5所示，厚度為2 cm的書(shū)，3 cm的盒子能夠提取出來(lái)，厚度為6 mm的本子無(wú)法提取，因?yàn)閂Z-4000掃描儀的重復(fù)掃描精度為1 cm，所以閾值的設(shè)置必須大于1 cm，導(dǎo)致變化在1 cm范圍內(nèi)的區(qū)域無(wú)法有效提取。試驗(yàn)結(jié)果表明，變化范圍大于掃描儀重復(fù)掃描精度的區(qū)域能夠通過(guò)該算法有效檢測(cè)出來(lái)。

圖5 變化提取結(jié)果

2.試驗(yàn)二

第二組試驗(yàn)采用了不同時(shí)期掃描的兩組礦坑數(shù)據(jù)進(jìn)行變化分析。兩期掃描數(shù)據(jù)間隔2個(gè)月，采用點(diǎn)云所成模型間的比較方法從兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取變化信息。兩期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及生成的DEM模型如圖6、圖7所示。

圖6 第一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)及DEM模型

圖7 第二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)及DEM模型

在將兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM模型并統(tǒng)一坐標(biāo)系和精度后，直接將相同坐標(biāo)格網(wǎng)點(diǎn)的高程求差即可得到高程變化值，將高程變化大小按顏色表分層渲染后如圖8所示，從圖8中可快速判別變形區(qū)域和變形程度。

圖8 模型對(duì)比變化提取結(jié)果

在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，可將兩種變形分析方法結(jié)合使用，先通過(guò)點(diǎn)云所生成模型間比較的方法快速定位變形區(qū)域，然后將變形區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來(lái)，通過(guò)點(diǎn)云與點(diǎn)云間的直接比較計(jì)算精確的變形量。

五、結(jié)束語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高，信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。本文主要研究將其應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理流程和數(shù)據(jù)分析方法。研究結(jié)果表明，地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域是完全可行的，雖然其在測(cè)量精度上略低于GPS、全站儀等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，但是其對(duì)大范圍區(qū)域快速、連續(xù)、全方位監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)是其他監(jiān)測(cè)手段所不具備的。地面三維激光技術(shù)為變形監(jiān)測(cè)工程提供了一種新的解決方案并具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΓS著掃描儀軟硬件系統(tǒng)的不斷發(fā)展，激光掃描技術(shù)將會(huì)成為一種常規(guī)監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)之中。

[1] 徐進(jìn)軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理[J].巖土力學(xué)，2010(7)：2188-2191.

[2] BITELLI G，DUBBINI M，ZANUTTA A.Terrestrial Laser Scanning and Digital Photogrammetry Techniques to Monitor Landslides Bodies[J].International Archives of Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2004，35(Part B5)：246-251.

[3] ABELLAN A，JABOYEDOFF M，OPPIKOFER T.Detection of Millimetric Deformation Using a Terrestrial Laser Scanner：Experiment and Application to a Rockfall Event[J].Science，2009(9)：365-372.

[4] 劉昌軍，趙雨，葉長(zhǎng)峰，等.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地形快速測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(6)：43-46.

[5] 李建輝，王琴.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于滑坡體地形可視化的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012(10)：51-53.

[6] 王婷婷.基于三維激光掃描技術(shù)的地表變形監(jiān)測(cè)[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[7] 劉錦程.三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

Application of Terrestrial 3D Laser Scanning Technology in Deformation Monitoring

CHEN Hongyi，HU Xiaobin，LI Chongrui

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0074-04

陳弘奕，胡曉斌，李崇瑞.地面三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：74-77.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0402

2014-08-31

山西省測(cè)繪地理信息科技項(xiàng)目資助(2014-K1)

陳弘奕(1965—)，男，山西大同人，高級(jí)工程師，主要從事大地測(cè)量、航空攝影測(cè)量、工程測(cè)量和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)工作。