王艋，劉松

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712100；2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430000）

中國(guó)公路交通事業(yè)在最近幾十年取得了巨大的發(fā)展，高速公路、國(guó)省道、縣鄉(xiāng)公路四通八達(dá)，山區(qū)道路沿線有大量邊坡，部分危險(xiǎn)邊坡時(shí)刻威脅著來(lái)往車(chē)輛和行人安全，因此對(duì)公路邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的邊坡安全監(jiān)測(cè)方法主要使用全站儀或GPS測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，因方法的局限性，用某些點(diǎn)的位移代表整個(gè)面的位移，在一些情況復(fù)雜的邊坡監(jiān)測(cè)中往往結(jié)果預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確。三維激光掃描系統(tǒng)因具有非接觸、精度高、分辨率高、面掃描的優(yōu)勢(shì)，能夠快速獲取邊坡面大量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并無(wú)需工作人員在邊坡上架設(shè)儀器，節(jié)約人力、物力，并確保人員的安全，因此三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜邊坡的監(jiān)測(cè)中往往能發(fā)揮出更大的作用。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的測(cè)繪技術(shù)，又稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，逐漸成為科研和工程人員解決實(shí)際問(wèn)題選擇的主要手段，為科學(xué)研究和工程建設(shè)提供了精確的三維數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的方法相比具有以下優(yōu)勢(shì)：非接觸測(cè)量、數(shù)據(jù)采樣率高、主動(dòng)發(fā)射光源、高分辨率、高精度、全景化掃描等。作為一種先進(jìn)的地理信息數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，其獲取的三維數(shù)據(jù)稱(chēng)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含三維坐標(biāo)，還包括反射率和色彩（RGB）信息，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以建立被掃描目標(biāo)的三維模型。

地面三維激光掃描系統(tǒng)由掃描單元、控制單元、電源、三腳架和配套軟件組成，內(nèi)置有CCD 相機(jī)，用于獲取目標(biāo)的色彩信息，如圖1 所示。

圖1 地面三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描儀可以直接獲取的原始數(shù)據(jù)如下：①根據(jù)2 個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來(lái)反射激光脈沖鏡子的角度值得到激光束的水平方向值和豎直方向值；②根據(jù)激光傳播的時(shí)間計(jì)算出儀器到掃描點(diǎn)的距離，再根據(jù)激光束的水平方向角和豎直方向角數(shù)值，可以得到每一掃描點(diǎn)相對(duì)于儀器的空間相對(duì)坐標(biāo)值，如圖2 所示；③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度。

圖2 三維激光掃描坐標(biāo)系

式中：S為儀器至被掃描目標(biāo)點(diǎn)之間的距離的數(shù)值；θ為激光脈沖縱向掃描角的數(shù)值；α為激光脈沖橫向掃描角的數(shù)值。

2 基于三維激光掃描技術(shù)的公路邊坡監(jiān)測(cè)方法及作業(yè)流程

基于三維激光掃描技術(shù)的公路邊坡監(jiān)測(cè)方法基本原理是通過(guò)三維激光掃描儀獲取同一邊坡不同時(shí)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并生成三維模型，通過(guò)對(duì)比坡面三維模型變化量，分析公路邊坡的變形情況?；谌S激光掃描技術(shù)的公路邊坡監(jiān)測(cè)作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 基于三維激光掃描技術(shù)的公路邊坡監(jiān)測(cè)作業(yè)流程圖

2.1 方案設(shè)計(jì)

在正式作業(yè)前根據(jù)甲方需求、作業(yè)目的和實(shí)地情況，按照三維激光掃描作業(yè)規(guī)范有針對(duì)性地制定外業(yè)工作方案，確保能夠高效全面地完成外業(yè)工作，并且掃描的數(shù)據(jù)也能夠滿足內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的需求。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)需要在滑坡體周?chē)荚O(shè)部分控制點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)站布置，選定測(cè)站點(diǎn)點(diǎn)位及標(biāo)靶位置，在盡量少設(shè)站的前提下，確保相鄰測(cè)站間至少有3 個(gè)公共標(biāo)靶，并盡量提升測(cè)區(qū)掃描覆蓋率。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

因外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是單站掃描獲取，不同測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)處于離散狀態(tài)，因此需要先將多站的掃描數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)整體，拼接的方法主要有基于標(biāo)靶的拼接方法、基于特征點(diǎn)的拼接方法和測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)的拼接方法。

掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含滑坡體外無(wú)用的數(shù)據(jù)以及因?yàn)槎喾N原因產(chǎn)生的誤差比較大或錯(cuò)誤的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此要對(duì)拼接后的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云去噪，避免錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果造成影響。

因?yàn)橥鈽I(yè)掃描時(shí)為保證能夠獲取到更多細(xì)節(jié)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此設(shè)置的掃描分辨率比較高，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了很多不便，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，也就是點(diǎn)云抽稀，根據(jù)被掃描目標(biāo)的特點(diǎn)選擇合適的重采樣方法，既要保留點(diǎn)云特征也要適當(dāng)降低點(diǎn)云密度，減少數(shù)據(jù)量。

2.4 構(gòu)建三維可視化模型

利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理后的測(cè)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建，建立測(cè)區(qū)滑坡體的可視化模型。

2.5 數(shù)據(jù)分析

將不同時(shí)間段獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重構(gòu)，在測(cè)區(qū)滑坡體上尋找一部分特征點(diǎn)，分析比較不同時(shí)間段的變形量，進(jìn)而分析整個(gè)滑坡體的變形情況。

3 工程實(shí)例

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次選取的試驗(yàn)對(duì)象位于陜西省楊凌示范區(qū)的省道107 扶楊眉公路楊陵段某處公路邊坡，省道107 扶楊眉公路楊凌段于2021 年10 月正式通車(chē)，項(xiàng)目起點(diǎn)位于楊凌示范區(qū)揉谷鎮(zhèn)除張村北，向南上跨隴海鐵路、西寶中線、西寶高速，下穿西寶高鐵，經(jīng)姜嫄村至渭河北岸河堤路，全長(zhǎng)4.3 km。全線按照公路一級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路面寬24.5 m，其中控制性橋梁3 座，全線設(shè)計(jì)為瀝青混泥土路面。全線有多處山體開(kāi)挖區(qū)，開(kāi)挖區(qū)兩側(cè)存在山體邊坡。楊凌示范區(qū)地處關(guān)中平原中部，氣候濕潤(rùn)，特別是夏季雨水較多，公路沿線山體土質(zhì)以濕陷性黃土為主，土質(zhì)松散，在雨水較多的季節(jié)，極易發(fā)生山體滑坡事故，對(duì)過(guò)往車(chē)輛及周邊村落產(chǎn)生安全威脅。因此，對(duì)滑坡體進(jìn)行定期位移監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

根據(jù)公路邊坡實(shí)地的具體情況，使用FARO FOCUS S 型三維激光掃描儀進(jìn)行掃描。根據(jù)公路邊坡的實(shí)際大小，選擇在邊坡對(duì)面馬路邊建站，距離滑坡體約30 m，邊坡上無(wú)植被遮擋，掃描環(huán)境良好；相鄰2 站之間要有一定的重疊區(qū)域[1]，避免2 站掃描拼接處點(diǎn)云出現(xiàn)漏洞。將掃描站點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的布置，有利于提高效率，避免重復(fù)掃描，同時(shí)提高核心區(qū)域的監(jiān)測(cè)精度。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SCENCE 軟件中進(jìn)行初步處理。去噪工作中先去除滑坡體以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖4所示），減少數(shù)據(jù)量；最后通過(guò)軟件導(dǎo)出xyz格式的數(shù)據(jù)[2]。

圖4 滑坡體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將xyz格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中，進(jìn)行濾波處理以達(dá)到去除部分噪聲數(shù)據(jù)的目的；根據(jù)點(diǎn)云密度和實(shí)際需求，用曲率采樣的方法進(jìn)行重采樣，盡量保證特征區(qū)域點(diǎn)云密度的前提下，以減少點(diǎn)云數(shù)量，提高處理效率；對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，重構(gòu)三維模型。Geomagic Studio 軟件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程如圖5 所示。

圖5 Geomagic Studio 軟件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

3.2.1 點(diǎn)階段[3]

將SCENCE 軟件處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio 軟件中，首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色以便于更方便地觀察其三維效果。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的誤差較大的噪聲點(diǎn)進(jìn)行處理，軟件中內(nèi)置的去噪方法有選擇非連接項(xiàng)、去除體外孤點(diǎn)、減少噪聲3 種方法，可以分別使用去除體外孤點(diǎn)、減少噪聲的的方法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 減少噪聲后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對(duì)去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云采樣，也稱(chēng)為點(diǎn)云抽稀，以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量，便于減少數(shù)據(jù)處理的工作量。對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝處理，選擇曲面封裝形式，封裝后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 封裝后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2.2 多邊形階段[3]

封裝之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面會(huì)有一些空洞、翻轉(zhuǎn)和重疊的情況，需要使用軟件格網(wǎng)醫(yī)生功能進(jìn)行修補(bǔ)，形成一個(gè)完整的模型。

3.2.3 形狀階段[3]

基于上一步生成的多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)生成NURBS曲面，使用Geomagic Studio 軟件自動(dòng)擬合生成曲面，最終形成的公路邊坡曲面模型如圖8 所示。

圖8 滑坡體模型

3.3 數(shù)據(jù)分析

使用Geomagic Studio 軟件內(nèi)置的Geomagic Qualify 模塊對(duì)2 次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3]，2 次掃描數(shù)據(jù)變形區(qū)域變形量分布如表1 所示。

表1 2 期數(shù)據(jù)變形值分布表

由以上數(shù)據(jù)可知，滑坡體2 期數(shù)據(jù)間最大變形量為-1.375 1 mm，大部分區(qū)域均存在形變。分析原因發(fā)現(xiàn)，滑坡體為黃土構(gòu)造，且降水量充沛，導(dǎo)致滑坡體大部分區(qū)域產(chǎn)生位移，滑坡體下方不遠(yuǎn)處為村落。因此，對(duì)滑坡體進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)和治理就顯得尤為必要。

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的公路邊坡監(jiān)測(cè)方法無(wú)法采集到詳細(xì)表面信息的缺陷，通過(guò)2 次獲取數(shù)據(jù)生成的曲面的比較，獲取對(duì)應(yīng)位置變形值，分析結(jié)果比傳統(tǒng)方法更加全面，且在實(shí)施過(guò)程中無(wú)需在滑坡體表面立目標(biāo)，大大提升了安全性和效率，特別是對(duì)陡峭的公路邊坡監(jiān)測(cè)具有重大的意義。