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        淺析三維激光掃描儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

        2017-12-05 07:10:40霍欣杰蔣國輝吳大鵬
        測繪通報 2017年11期
        關(guān)鍵詞:掃描儀高精度邊坡

        霍欣杰,崔 磊,蔣國輝,吳大鵬

        (1. 廣東天信電力工程檢測有限公司,廣東 廣州 510663; 2. 北京市測繪設(shè)計研究院,北京 100038; 3. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司,北京 100089)

        天寶測繪解決方案專欄

        淺析三維激光掃描儀在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

        霍欣杰1,崔 磊2,蔣國輝3,吳大鵬3

        (1. 廣東天信電力工程檢測有限公司,廣東 廣州 510663; 2. 北京市測繪設(shè)計研究院,北京 100038; 3. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司,北京 100089)

        隨著科技的飛速發(fā)展,近年來發(fā)展成熟的三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測工作中,其具有快速、自動化、高精度、非接觸、直接獲取監(jiān)測對象表面三維數(shù)據(jù)的特點,且可以解決現(xiàn)有常規(guī)邊坡監(jiān)測手段的效率低、人力成本高、安全隱患高、以點帶面等缺陷。

        1 三維激光掃描技術(shù)簡介及其適用性分析

        1.1 三維激光掃描簡介

        三維激光掃描技術(shù)是繼衛(wèi)星定位系統(tǒng)后,測繪領(lǐng)域又一項技術(shù)技術(shù)革命和突破。它是利用掃描儀對目標(biāo)發(fā)射激光,根據(jù)激光發(fā)射和接收的時間差來計算目標(biāo)距離,再結(jié)合水平方向和垂直方向的距離和角值即可計算出目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。這些三維坐標(biāo)以點云的方式存儲,而點云的實質(zhì)是大量的矢量點。通過軟件對這些點云進行相應(yīng)處理后,可得到被測對象的三維幾何模型。通過對不同期的掃描數(shù)據(jù)進行分析,即可得到被測對象的變形數(shù)據(jù)。

        1.2 適用性分析

        1.2.1 數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)分析方式

        三維激光掃描技術(shù)是以百萬點/秒的掃描速度(典型測量時間約為5 min),快速、高精度、大范圍地掃描目標(biāo)物體以獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析時,在大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)中進行篩選、比對,得出變形數(shù)據(jù),根據(jù)實際情況劃定變形斷面。這種數(shù)據(jù)獲取方式和數(shù)據(jù)分析方式與傳統(tǒng)測量方式相比更加客觀,避免了以點代面。

        1.2.2 自動化程度

        三維激光掃描技術(shù)的自動化程度主要涉及外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析兩個方面。外業(yè)方面,高精度的控制網(wǎng)目前仍需要人工干預(yù),掃描過程由三維激光掃描儀按照預(yù)設(shè)程序自動運行;內(nèi)業(yè)方面由專用計算機軟件進行分析、比對。

        1.2.3 誤差分析

        1.2.3.1 誤差來源

        三維激光掃描技術(shù)的誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。

        系統(tǒng)誤差的大小是由三維激光掃描儀自身條件決定的,如激光的發(fā)散度、旋轉(zhuǎn)棱鏡的精度、雙軸補償精度等。其中激光的發(fā)散度決定了三維激光掃描儀的有效測程,隨著距離的增加,激光發(fā)散度不斷增加,采集的點云數(shù)據(jù)精度也隨之降低。應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測的三維激光掃描儀,一般要求100 m范圍內(nèi)單點定位精度應(yīng)達到1 mm,重復(fù)測量精度應(yīng)在0.5 mm以內(nèi)。以Trimble TX8型激光掃描儀為例,其測程最大可達到300多米,測距精度可達到1 mm。

        偶然誤差具有隨機性,比較復(fù)雜,但一般可歸結(jié)為測距誤差、測角誤差和外界環(huán)境引起的誤差3類。其主要影響因素有激光測距原理,三軸誤差和外界溫度、氣壓等。

        此外,目標(biāo)物體的顏色、傾斜也會對測量誤差造成影響。一般表現(xiàn)為,物體顏色明亮的物體測量誤差相對較?。晃矬w傾斜影響激光入射角越大則誤差越大。

        1.2.3.2 減小誤差的措施

        (1) 增加掃描儀設(shè)站點:一是可以減小掃描距離,從而降低激光發(fā)散度;二是可以減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度。

        (2) 提高控制網(wǎng)精度。一個工程往往需要布設(shè)幾個測站,從而獲得被測物體的高精度三維掃描數(shù)據(jù),這些測站測得數(shù)據(jù)需要進行后期拼接,即對點云數(shù)據(jù)進行拼接,不同期的點云數(shù)據(jù)又需要進行比對,從而獲得變形數(shù)據(jù)。提高控制網(wǎng)精度的意義在于減小點云數(shù)據(jù)拼接時產(chǎn)生的誤差,減小重復(fù)觀測中因控制網(wǎng)誤差對點云數(shù)據(jù)的影響。一般可使用高精度全站儀和水準(zhǔn)儀進行控制測量,獲得高精度的控制網(wǎng)數(shù)據(jù)。

        (3) 提高點云數(shù)據(jù)拼接精度。該方法主要是選擇合適的拼接算法和拼接方法。如邊坡較小,點云數(shù)據(jù)量不是很大,一般可通過搜索點云數(shù)據(jù)中的同名點進行拼接。如邊坡工程較大,點云數(shù)據(jù)量比較大,在超千萬的點云數(shù)據(jù)中搜索同名點云是非常耗時的,因此可在被測目標(biāo)上提前安置一定數(shù)量的反射標(biāo)靶,以反射標(biāo)靶作為拼接的基點進行點云數(shù)據(jù)拼接,可有效地減小拼接工作量。

        2 與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的對比

        傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法一般有:前方交會法、極坐標(biāo)法、幾何水準(zhǔn)測量、GPS法等。這些監(jiān)測方法在操作簡易程度、測量精度、工作量、自動化程度、數(shù)據(jù)的客觀性方面各有所缺,難以兩全。與其相比,三維激光掃描技術(shù)幾乎解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的所有難題。其主要對比情況見表1。

        通過對比可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法均是以預(yù)設(shè)變形點位的變形代替整個邊坡的變形,其數(shù)據(jù)客觀性大打折扣。而三維激光掃描技術(shù)很好地解決了這一問題,同時又兼顧了精度、操作便捷性和自動化等幾個方面。

        表1 三維激光掃描技術(shù)與其他監(jiān)測方法的比較

        3 工程應(yīng)用實例

        3.1 控制測量

        控制網(wǎng)由3個帶有強制對中裝置的基準(zhǔn)點和3個工作基點構(gòu)成基準(zhǔn)網(wǎng)。首先,使用高精度全站儀(1″級)和水準(zhǔn)儀(DS05級)按照《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)中變形監(jiān)測二等精度施測;其次,為便于點云數(shù)據(jù)拼接,在邊坡顯著位置布設(shè)3個反射標(biāo)靶。

        3.2 數(shù)據(jù)采集

        該邊坡工程主要使用全站儀極坐標(biāo)法進行監(jiān)測,為了進行數(shù)據(jù)比對,使用Trimble TX8型激光掃描儀同步觀測2期(首期和末期)。為獲得邊坡的全部點云數(shù)據(jù),分別在3個工作基點上架設(shè)三維激光掃描儀對邊坡進行掃描,每個測站獨立掃描2次。

        3.3 數(shù)據(jù)處理及分析

        數(shù)據(jù)處理和分析使用RealWork軟件進行。首先對采集的原始點云數(shù)據(jù)進行過濾和去噪,目的是去除冗余信息和噪音數(shù)據(jù);然后對點云數(shù)據(jù)進行拼接(如圖1所示),三維建模;最后將多期點云數(shù)據(jù)進行疊加分析,得出邊坡的變形情況。

        3.4 數(shù)據(jù)對比

        本次全站儀極坐標(biāo)法和三維激光掃描獲取的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)比對見表2。

        表2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

        圖1 拼接后局部點云數(shù)據(jù)

        通過本次比對試驗可以看出,三維激光掃描與極坐標(biāo)法獲取的變形數(shù)據(jù)基本一致,發(fā)現(xiàn)的最大變形點位相近。經(jīng)實地勘查,WY3點附近存在一條輕微裂縫,裂縫長度約為4 m,裂縫最大寬度約為10 mm,位于WY3點西側(cè)約3 m的位置。說明本次三維激光掃描數(shù)據(jù)客觀、真實,三維激光掃描技術(shù)適用于邊坡變形監(jiān)測工程。

        4 結(jié) 語

        本文通過分析三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測工程中的適用性,對比傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法的優(yōu)缺點可知,三維激光掃描技術(shù)完全可以應(yīng)用在邊坡變形監(jiān)測領(lǐng)域,并且解決了傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測方法以點代面、工作效率低、工作成本高等缺陷,是具有代表性的技術(shù)革新。

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