張 亞，王海珍，王 濤

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099； 2. 西安思格瑪測繪儀器有限公司，陜西 西安 710054)

0 前 言

近年來，露天礦區(qū)的邊坡開挖越來越高，開挖的范圍越來越廣，開挖的速度越來越快，這對礦區(qū)邊坡的變形監(jiān)測提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)監(jiān)測手段主要是依靠人工定期進行單點監(jiān)測，如全站儀、GPS、水準儀等，這些手段只能局限于對邊坡進行單點監(jiān)測，無法對邊坡的整體變形進行全面評估[2]。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)以其不接觸性、穿透性、主動性，高密度、高精度、實時性等特點改變了這一現(xiàn)狀，使得越來越多的研究者逐漸嘗試著應(yīng)用到變形監(jiān)測領(lǐng)域。袁長征等[3]提出一種應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)研究地鐵隧道變形的方法，通過兩期點云數(shù)據(jù)的建模提取同一位置處地鐵隧道的斷面進行對比分析，得到地鐵隧道變形情況；李彥琛[4]驗證了三維激光掃描技術(shù)能夠反映煤礦沉陷區(qū)的真實情況，且監(jiān)測準確，并從測量環(huán)境、掃描距離點、遠距離波動等影響因素對三維激光掃描技術(shù)的誤差來源進行分析?；诖耍疚倪\用拓普康公司的GLS-2000三維激光掃描儀對某礦區(qū)的邊坡進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，采用Scan Master、Geomagic Studio軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，提取滑坡監(jiān)測樁數(shù)據(jù)與同期的全站儀、水準儀數(shù)據(jù)進行對比分析，然后通過兩期邊坡模型進行疊加分析得到邊坡整體變形情況，并對三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用邊坡變形監(jiān)測的誤差進行分析。

1 三維激光掃描技術(shù)原理介紹

三維激光掃描技術(shù)又稱為實景復(fù)制技術(shù)[5]，其載體是三維激光掃描儀，三維激光掃描儀是一個集多種高新技術(shù)于一體的非接觸主動式測量系統(tǒng)，由電機、數(shù)據(jù)記錄器、激光測距和可以引導(dǎo)激光以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成，在儀器內(nèi)部激光測距系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖掃描被測物體，經(jīng)物體表面后沿同樣路線反射回儀器，即可得到目標點P與三維激光掃描儀之間的斜距，同時融合激光信號和彩色相片得到P點的顏色信息，再參考轉(zhuǎn)動的水平和垂直角度，就可獲得被測邊坡表面大量密集點的反射率信息和相對空間三維坐標信息，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

被測邊坡點三維坐標計算公式如下：

2 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 研究區(qū)域介紹

本次選擇某礦區(qū)邊坡作為研究對象，該邊坡高度為65 m，東西寬約為302 m，傾角為39(°)，總體比較穩(wěn)定，但是受持續(xù)開采的影響，地表先后出現(xiàn)了變形、開裂和沉陷，特別是東面邊坡，受采動影響非常大，雖然對邊坡設(shè)置了預(yù)應(yīng)力抗滑樁、錨噴支護等工程加固措施，該邊坡還是會有一定的變形，需對該邊坡的變化發(fā)展趨勢進行監(jiān)測，以確定該邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 邊坡數(shù)據(jù)采集

本次研究采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀、徠卡1201+全站儀和徠卡DNA03水準儀，分別于2017年1月和2017年5月對變形邊坡進行兩次外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

每次掃描的時候把掃描儀對中、整平架設(shè)于已有的監(jiān)測基準點上，后視鄰近的其他基準點上的標靶進行掃描儀的測站定向，然后設(shè)定掃描范圍、掃描密度，對該站范圍內(nèi)的邊坡掃描。這種基于測站后視的定向方式可以簡單、快速、高精度對不同測站的掃描數(shù)據(jù)進行拼接。

使用徠卡1201+全站儀對邊坡上的監(jiān)測樁進行水平位移監(jiān)測，徠卡DNA03水準儀對邊坡上的監(jiān)測樁進行沉降監(jiān)測，這兩種儀器的使用主要是通過傳統(tǒng)的方法對邊坡進行高精度的監(jiān)測，以提供本次研究中邊坡各監(jiān)測樁真實的變形數(shù)據(jù)。

2.3 邊坡掃描數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點云數(shù)據(jù)拼接

邊坡的地形起伏且有遮擋，而掃描儀的掃描視場有限，沒有辦法一次性把邊坡的所有點云數(shù)據(jù)都掃描完畢，要獲取邊坡的整體點云數(shù)據(jù)，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況分角度、位置進行多次掃描。掃描儀在不同角度對邊坡進行了多次掃描，此時對于同一個邊坡位置對應(yīng)不同的測站其坐標值也不同，為了得到邊坡表面完整的點云數(shù)據(jù)，必須對不同測站獲得的數(shù)據(jù)進行拼接。本次采用的拓普康三維激光掃描儀掃描了四站，該儀器具有測站后視定向功能，通過這種方式掃描的數(shù)據(jù)在Scan Master 軟件中通過基于測站的形式完成數(shù)據(jù)的拼接。

2.3.2 點云數(shù)據(jù)去噪

在數(shù)據(jù)采集過程中，由于地表植被、樹木、周邊設(shè)備、邊坡表面粗糙等因素，非常容易產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的點和錯誤的點，這些統(tǒng)稱為噪聲點，噪聲點會影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度以及在三維建模的時候會引起模型失真，所以必須降低或消除噪聲點，即去噪[6]。對于明顯的噪聲點采用手工方式直接予以刪除，對于靠近地面的噪聲點通過Geomagic Studio軟件中的降噪功能，分離出噪聲點，然后將噪聲點過濾。

2.3.3 數(shù)據(jù)重采樣

在設(shè)置掃描密度的時候一般設(shè)置的較小，這樣可以較為真實的反應(yīng)邊坡起伏變化情況，但是這也導(dǎo)致獲得的點云數(shù)據(jù)量非常大，對計算機處理掃描點云數(shù)據(jù)的速度產(chǎn)生影響，不利于后續(xù)的邊坡三維建模，所以要對去噪后的點云數(shù)據(jù)進行重采樣。在Geomagic Studio軟件中采用曲率采樣的方法對邊坡進行重采樣[7]，這樣盡可能的較為真實的反應(yīng)邊坡表面的起伏、變化。

2.3.4 邊坡三維建模

對邊坡的原始點云數(shù)據(jù)經(jīng)上述處理之后，得到邊坡表面的點云數(shù)據(jù)，但是邊坡表面有些地面被遮擋，就會造成遮擋部分的數(shù)據(jù)缺失，即數(shù)據(jù)空洞，如果不對數(shù)據(jù)空洞進行修補，在三維建模的時候會造成表面失真，本次是采用Geomagic Studio軟件中的基于曲率的填充方式來進行數(shù)據(jù)空洞區(qū)中的點云數(shù)據(jù)進行修補的，修補完成后進行邊坡三維建模，獲得邊坡兩期的三維模型(如圖2所示)，并將兩期的模型進行疊加分析。

3 邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了能準確的反應(yīng)邊坡的變形情況，同時也為了研究三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用邊坡變形監(jiān)測的可行性，本文在對兩期所采集的點云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過后續(xù)內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理分別提取了邊坡兩期的監(jiān)測點變形情況、整體特征變形情況，并從點、面兩個角度對邊坡的變形監(jiān)測進行對比分析，然后根據(jù)地面點和監(jiān)測樁不同方法的較差對三維激光掃描技術(shù)的誤差進行分析[8]。

3.1 監(jiān)測點變形量分析

根據(jù)三維激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)，本研究中提取了兩類特征點：一類是在邊坡變形監(jiān)測中設(shè)置的監(jiān)測樁，監(jiān)測樁是在邊坡表面0.6 m高的鋼筋混凝土墩，在其頂面的中心設(shè)置監(jiān)測點。根據(jù)軟件三維建模的功能，擬合出變形監(jiān)測樁的模型，提取到模型中心的三維坐標，由兩期的模型中心三維坐標差值即得三維激光掃描方法的監(jiān)測樁變形數(shù)據(jù)，共8個點；另一類是根據(jù)建立的模型提取得到監(jiān)測樁旁邊的地面點，共8個點，這些點在監(jiān)測樁旁邊，其變形量應(yīng)與監(jiān)測樁一致。

表1是三維激光掃描所提取的監(jiān)測樁和地面點數(shù)據(jù)與同期的全站儀得到的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)對比情況。表2是三維激光掃描所提取的監(jiān)測樁和地面點數(shù)據(jù)與同期精密水準儀得到的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比情況。根據(jù)表1和表2、圖3和圖4的對比分析，可以得到2017年1月和5月使用兩類監(jiān)測方法所得到的邊坡的水平位移、沉降監(jiān)測基本上保持一致。從監(jiān)測點變形量對比分析來看，三維激光掃描技術(shù)得到的變形量精度較高，可靠性非常好，能真實的反映出邊坡的變形情況。

表1 兩期水平位移監(jiān)測結(jié)果精度分析

3.2 整體特征變形分析

三維激光掃描技術(shù)最大的特點是能夠掃描被測物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取被測物體表面高精度三維模型[9]，應(yīng)用到邊坡變形監(jiān)測當(dāng)中就可以對邊坡體做全面、整體的點云數(shù)據(jù)采集，從整體對變形體進行分析。

表2 兩期沉降監(jiān)測結(jié)果精度分析

圖3 全站儀測量與三維激光測量水平位移曲線比較

圖4 水準儀測量與三維激光測量沉降曲線比較

圖5是以第1期模型為基準，把兩期模型疊加所形成的基于兩期監(jiān)測對象相同部分變形情況的假彩色模型，圖中不同的顏色顯示出邊坡整體變形的情況。根據(jù)整體變形假彩色模型所得到的變形趨勢和全站儀、水準儀、掃描儀得到的變形趨勢基本一致，能反映出邊坡變形的情況，但精度有所欠缺。

3.3 三維激光掃描技術(shù)誤差分析

由表1、 2中全站儀、水準儀和掃描儀的較差以及圖3、4中地面點曲線與監(jiān)測樁曲線我們可以看到，提取出的地面點的曲線雖然和監(jiān)測點曲線基本一致，但是地面點的較差大于監(jiān)測樁的較差，這說明三維掃描技術(shù)的精度與傳統(tǒng)監(jiān)測方法的精度還有一定的差距，這種差距主要受三維激光掃描技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)采集精度的影響，其中主要包括掃描目標反射特性的影響、地面植被以及其他物體遮擋的影響、掃描距離及掃描密度的影響等。

圖5 邊坡整體變形假彩色圖

掃描目標反射特性的影響主要因為掃描儀測距時依賴于邊坡表面反射回的激光信號，這樣邊坡表面反射強弱的差異就能導(dǎo)致激光測距產(chǎn)生誤差，反射強弱主要受邊坡的材質(zhì)、粗糙程度、邊坡表面與激光夾角等影響[10]。地面植被以及其他物體遮擋的影響在去噪過程中能去除大部分植被的噪聲點，但是還有個別噪聲點難以去除，影響建模精度，物體的遮擋引起掃描空洞，雖說后續(xù)進行了填補，但填補的數(shù)據(jù)可能與實際數(shù)據(jù)存在偏差，同樣影響精度。掃描距離和掃描密度的影響主要是隨著掃描距離的增加點云掃描的密度會逐漸降低，點云掃描密度的降低使得邊坡表面點云測量精度降低[11]，這會導(dǎo)致建立的三維模型的精度降低。

4 結(jié) 語

從本次的研究數(shù)據(jù)成果分析來看，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于邊坡變形監(jiān)測雖然還有一些不足：掃描距離有限、噪聲點較多、數(shù)據(jù)空洞等，但是其在邊坡變形監(jiān)測可以快速、準確的獲取海量點云數(shù)據(jù)，建立三維模型，得到點、面的變形監(jiān)測結(jié)果，直觀簡潔的顯示邊坡變形量、變形區(qū)域，同時彌補了傳統(tǒng)單點監(jiān)測中的整體變形特征不足的情況，極大的提高了監(jiān)測的工作效率。因此，隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷改進和儀器測量精度的提高，這項技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中將會發(fā)揮越來越大的作用。