和　璇，崔　佳，趙　玉

（1.云南省基礎(chǔ)測繪技術(shù)中心，云南　昆明　650000；2. 云南省測繪產(chǎn)品檢測站，云南　昆明　650000）

三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測中的應(yīng)用

和璇1，崔佳1，趙玉2

（1.云南省基礎(chǔ)測繪技術(shù)中心，云南昆明650000；2. 云南省測繪產(chǎn)品檢測站，云南昆明650000）

三維激光掃描技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的激光測量技術(shù)，在地質(zhì)災(zāi)害中更展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)越性。文章首先介紹了三維激光掃描技術(shù)以及三維激光掃描儀，然后分析了三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢，并且簡述了作業(yè)流程以及形變分析算法，最后提出了目前存在的一些局限性。

三維激光掃描儀；地面形變監(jiān)測；形變分析

自20世紀(jì)80年代三維激光掃描技術(shù)興起之后，三維激光掃描測量法逐漸應(yīng)用于形變監(jiān)測，成了地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測的一種新方法、新技術(shù)。三維激光掃描儀通過獲取災(zāi)體的三維信息、比對不同時間采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，高精度、高效、大面積的得到災(zāi)體形變趨勢。

1　三維激光掃描技術(shù)

“三維激光掃描技術(shù)，又稱‘實(shí)景復(fù)制技術(shù)’，被公認(rèn)為繼經(jīng)緯儀、全站儀系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)、GPS技術(shù)后測繪領(lǐng)域的又一項(xiàng)技術(shù)革命”［1］。目前該技術(shù)已作為一種快速獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效手段。

隨著硬件技術(shù)的日趨成熟，三維激光掃描儀的性價比不斷提升，其種類、功能和性能指標(biāo)也不盡相同，測程范圍從1～1000m，測距精度從0.4～20mm，測量速度也從最初的1000點(diǎn)/s提升到50 000點(diǎn)/s，120萬點(diǎn)/s。市場上的三維激光掃描儀就有上百種，包括常見的徠卡、Z+F、雷格、法如、天寶等。根據(jù)搭載平臺不同三維激光掃描儀可分為機(jī)載三維激光掃描儀、地面三維激光掃描儀和手持三維激光掃描儀；根據(jù)測距原理不同又分為脈沖式三維激光掃描儀和相位式三維激光掃描儀。

2　三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測的優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)從傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量發(fā)展到面測量。高精度、高密度、高速度獲取被監(jiān)測區(qū)域形變細(xì)節(jié)和整體形變趨勢，克服了單點(diǎn)式監(jiān)測中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)少、難以發(fā)現(xiàn)無監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域的形變情況以及監(jiān)測點(diǎn)一旦破壞將嚴(yán)重影響資料連續(xù)性等問題。

三維激光掃描技術(shù)有如下優(yōu)勢：

（1）非接觸性。傳統(tǒng)的單點(diǎn)式監(jiān)測中監(jiān)測的有效性依賴于監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置，一旦監(jiān)測點(diǎn)遭到破壞將影響到最終結(jié)果，而三維激光掃描技術(shù)在不設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)的情況下，可真實(shí)可靠的獲得災(zāi)害體的三維坐標(biāo)信息。

（2）高速度、高精度、高密度。三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)速度非?？?，采樣點(diǎn)的速度可達(dá)5萬點(diǎn)/秒，大大提高了大面積災(zāi)害體的空間信息獲取速率。同時采用點(diǎn)陣和格網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集方式可獲取高密度、高精度、分布均勻的災(zāi)害體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)時、動態(tài)、主動性。三維激光掃描技術(shù)可全天候?qū)崟r作業(yè)，不需要外部光源，主動發(fā)射信號，通過探測回波信號得到災(zāi)害體信息。這一特點(diǎn)使其在面對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害時可迅速響應(yīng)，高效作業(yè)，及時獲取測量災(zāi)害體的三維信息。

（4）穿透性。由于三維激光掃描的采樣間距比較小、采樣密度比較大，當(dāng)災(zāi)害體表面存在不太濃密的植被覆蓋時，仍有一部分激光能夠到達(dá)災(zāi)害體表面，經(jīng)過有效的點(diǎn)云去噪，可獲取災(zāi)害體表面信息。

（5）數(shù)字化、自動化。三維激光掃描技術(shù)采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字坐標(biāo)信號，它具有全數(shù)字化的特征，可靠性好，自動化程度高，易于數(shù)據(jù)的后期處理、格式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)輸出。

（6）能與GPS系統(tǒng)結(jié)合。通過GPS布設(shè)控制網(wǎng)將三維激光掃描獲取的災(zāi)害體相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)用坐標(biāo)，得到高精度的實(shí)用坐標(biāo)系下的三維模型。

3　三維激光掃描儀地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測作業(yè)流程

三維激光掃描儀通過對形變區(qū)域進(jìn)行周期性掃描，對比不同期次的三維信息進(jìn)行形變監(jiān)測。一般情況下可將基于三維激光掃描儀的地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測分為現(xiàn)場勘查；數(shù)據(jù)采集；成果輸出與分析比對3個主要步驟。

根據(jù)監(jiān)測區(qū)域概況、要求等進(jìn)行現(xiàn)場勘查，確定采集設(shè)備及作業(yè)方式。區(qū)域概況包括位置、大小、形態(tài)等，同時排除可人為去除的干擾，減少人為誤差的引入。為了得到統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維激光掃描數(shù)據(jù)成果，還需要埋設(shè)用于設(shè)站和定向的控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)應(yīng)選在各點(diǎn)之間能夠相互通視且較穩(wěn)固的地方。對于有條件布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域在形變較為嚴(yán)重、突出的地方布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。若采用基于標(biāo)靶的點(diǎn)云拼接方式還需確定公共標(biāo)靶個數(shù)和位置，原則上每3個公共標(biāo)靶按照空間銳角三角形布而且保證每兩個需要拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含至少3個不在同一直線上的公共標(biāo)靶。

數(shù)據(jù)采集方式可分為“一站式”掃描和“分站—分景”式掃描。掃描站位置應(yīng)選擇安全、穩(wěn)定且通視情況良好的區(qū)域。選擇“分站—分景”式掃描在保證獲取數(shù)據(jù)完整的前提下，選擇較少的掃描站數(shù)以減少原始數(shù)據(jù)量和拼接誤差。采用無標(biāo)靶拼接方式的掃描區(qū)域，應(yīng)保證每兩個需要拼接的掃描區(qū)域間至少有60%的重疊度以及盡可能多的特征點(diǎn)，以滿足拼接要求以及成果精度。在選定的測站上架設(shè)掃描儀，調(diào)整好掃描儀方向和傾角，嚴(yán)格對中整平，并量取儀器高，連接好掃描儀、計算機(jī)和電源。進(jìn)行多次定向，將自定義的掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接、數(shù)據(jù)處理、三維建模，再將不同期次的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析比對，得出形變結(jié)果。點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除、旋轉(zhuǎn)對齊、多視拼接等操作，若采用基于標(biāo)靶的拼接方式，在重疊區(qū)域均勻地選取公共標(biāo)靶，根據(jù)約束條件，計算整體拼接誤差，拼接誤差過大時應(yīng)仔細(xì)檢查該點(diǎn)坐標(biāo)的正確性，刪除誤差過大的公共標(biāo)靶。若采用無標(biāo)靶拼接方式，在重疊區(qū)域盡量選取特征點(diǎn)，以減小拼接誤差。數(shù)據(jù)處理時先要手工去除由災(zāi)害體及周圍一些無關(guān)的雜草、樹木、建筑物、電桿等造成的無關(guān)點(diǎn)云噪聲點(diǎn)。去噪過程應(yīng)遵循“少去除多視角”的去除方法，避免刪除真實(shí)的有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再對手工去噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云濾波，過濾其他隱含噪聲點(diǎn)且降低點(diǎn)云密度。點(diǎn)云濾波應(yīng)選擇保持原始數(shù)據(jù)形態(tài)，地形改變量較小的方式，以減少對有用點(diǎn)云的剔除保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。選擇合適的算法，通過自動化軟件平臺進(jìn)行三維建模，用獲取的點(diǎn)云強(qiáng)度信息和相機(jī)獲取的影像信息對模型進(jìn)行紋理細(xì)節(jié)的描述，獲得災(zāi)害體真實(shí)的三維立體影像。

4　形變分析方法

三維激光掃描儀常用的形變分析方法主要有基于曲面擬合的形變分析方法、基于ICP配準(zhǔn)算法的形變分析算法和基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的形變分析方法。

曲面擬合是指利用部分實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求出一個解析式，使所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過或分布在該解析式所表示的一個空間曲面內(nèi)。實(shí)現(xiàn)曲面擬合的算法有很多，其中最常用的是基于最小二乘法的曲面擬合算法，該算法具有精度高，擬合曲面平滑的特點(diǎn)，但是運(yùn)算較復(fù)雜，運(yùn)算量相對較大，最小二乘法是一種逼近理論，基于最小二乘法的曲面擬合通過不斷迭代，使擬合曲面的樣點(diǎn)值與真實(shí)值之間差的平方和逼近最小，得到最接近實(shí)際的擬合曲面?；谇鏀M合的形變分析方法通過計算相鄰擬合平面法向量夾角的變化或不同期次兩個面之間的夾角變化得出形變趨勢和變化量。在地質(zhì)災(zāi)害地表形變監(jiān)測中，三維激光掃描儀利用獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過比較擬合中誤差和夾角變化作為衡量地表形變的指標(biāo)。

ICP配準(zhǔn)算法也叫迭代最近點(diǎn)算法，其基本原理是將參考點(diǎn)集經(jīng)過一系列坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換到與目標(biāo)點(diǎn)集同一坐標(biāo)系下，找到參考點(diǎn)集中每一個點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)集中距離最近的點(diǎn)，建立最近對應(yīng)點(diǎn)對關(guān)系，計算最近點(diǎn)對的距離的平方和，利用最小二乘法，迭代算出最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?；贗CP配準(zhǔn)算法的形變分析將第一期掃描數(shù)據(jù)作為參考點(diǎn)集，與之后的多期數(shù)據(jù)分別進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)殘差作為形變指標(biāo)，通過與設(shè)定的殘差閾值進(jìn)行比較獲得形變量，衡量相對形變量。

基于DEM模型的形變分析方法通過比較DEM模型來衡量形變量。三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過拼接、去噪等數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建DEM模型，在同一坐標(biāo)系下，以前期的DEM作為參考，對后期的DEM做內(nèi)差計算，不同DEM模型相同水平坐標(biāo)的高程差即為形變量。

5　三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測應(yīng)用中的局限性

在地質(zhì)災(zāi)害地面形變監(jiān)測中三維激光掃描儀仍然存在一些局限。首先，作為形變監(jiān)測的數(shù)據(jù)獲取手段三維激光掃描儀的精度就顯得格外重要。事實(shí)上，測距、大氣、分辨率、目標(biāo)材質(zhì)、測量時間甚至溫度等都會影響到成果精度，根據(jù)目前的精度檢較手段，三維激光掃描儀自身和精度的檢較存在一定困難。其次，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域普遍存在地形復(fù)雜、植被覆蓋復(fù)雜等問題，雖然相比傳統(tǒng)的測量手段，三維激光掃描儀非接觸性、自動化等特點(diǎn)有效地解決了監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定性、監(jiān)測人員安全性等問題。但是三維激光掃描技術(shù)精度、測距與掃描速率存在明顯矛盾關(guān)系，在保證測量精度的情況下測距限制了架站位置。最后，由于掃描角度的限制，部分災(zāi)害體無法掃描完整，盡管各類基于移動載體的三維激光掃描儀在一定程度上擴(kuò)大了三維激光掃描儀的使用范圍，但是提高三維激光掃描儀的測距與掃描角度范圍才是解決其應(yīng)用瓶頸的根本辦法。

［1］雷利元，張笑，席小慧，等.三維激光掃描技術(shù)在海洋領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望［J］.氣象水文海洋儀器，2015（2）：117-120.

［2］劉雨鑫.地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用［D］.成都：成都理工大學(xué)，2015.

3D laser scanner application in surface deformation monitoring

He Xuan1， Cui Jia1， Zhao Yu2
（1.Basic Surveying and Mapping Technology Center of Yunnan Province， Kunming 650000， China；2.Yunnan Provincial Surveying and Mapping Product Testing Station， Kunming 650000， China）

3D laser scanning technology is a kind of laser measurement technology which widely used in various felds especially in geological disasters in recent years. This paper introduced the 3D laser scanning technology and 3D laser scanner in the frst place， and then analyzed the advantages of 3D laser scanning technology， describing the work fow and deformation analysis. At last， it put forward the limitations of 3D laser scanner.

3D laser scanner； surface deformation monitoring； deformation analysis

和璇（1989— ），女，云南麗江，碩士；研究方向：激光掃描測量技術(shù)。