地面三维激光扫描技术在不稳定边坡变形监测中的应用研究.pdf

浙江测绘 2023 年第 4 期应用案例ZHEJIANGCEHUI地面三维激光扫描技术在不稳定边坡变形监测中的应用研究王金帅袁 陈振防袁 鲁凯翔(长三角渊嘉兴冤城乡建设设计集团有限公司袁嘉兴314000)摘要院 工程建设过程中边坡监测是至关重要的工作环节袁传统监测方法需要布设固定监测点位并配合使用全站仪尧GPS 接收机等设备进行监测袁这种方法受测区现场作业条件影响比较大袁存在点位布设困难尧作业危险系数高尧效率低等问题袁并且无法获取边坡整体变形情况遥 本文旨在研究三维激光扫描技术应用于大场景整体监测面的可行性袁在不同时期扫描获取监测边坡的点云数据袁并构建边坡仿真三维模型进行偏差分析袁研究结果表明监测数据精度与点云密度紧密相关袁并且利用地面三维激光扫描技术具有的非接触性尧高精度尧高密度尧高效率等优势袁可以获取更加全面翔实的监测数据袁具有积极的推广应用价值遥关键词院 整体变形曰 边坡监测曰 三维激光扫描曰 仿真三维模型1 引言边坡监测主要是为了保障工程建设施工安全袁采用先进可靠的监测手段可以全面准确的获取边坡的稳定性情况袁对安全施工意义重大遥 传统的单点监测技术能够获得较高精度的测量数据袁但受边坡坡度影响较大袁监测点位布设困难甚至无法布设袁 只能获取少量离散点的监测信息袁不能全面反映监测区域整体面连续性的变化情况袁存在以点带面尧以偏概全的窘境遥随着科学技术不断发展袁先进测绘仪器设备持续性迭代升级袁三维激光扫描等新型技术在测绘领域的应用越来越深入袁特别是利用三维激光扫描的非接触性尧高精度尧高密度尧高效率等优势袁 且无需布设监测点位即可获取海量点云数据袁进而构建边坡精细化三维模型袁就可以快速分析边坡监测面整体的变化情况袁为复杂的监测难题提供了全新解决方案1遥2 三维激光扫描的工作原理及优劣势分析三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术袁利用激光测距的原理快速扫描目标物体表面并获取海量三维空间坐标点袁即点云遥 点云数据信息丰富多样袁包含空间坐标信息尧反射强度尧法线等袁而且能够基于点云数据快速生产线尧面尧体等多种几何图件成果袁甚至是被测目标的三维模型2遥三维激光扫描技术实现了由自动持续采集密集性数据的作业方式代替传统的单点数据采集作业模式袁具有主动测绘尧自动化程度高尧非接触性尧高精度尧高密度尧高效率尧数据信息丰富等优势3遥 在复杂的大场景地形应用中袁外业数据采集需要多次转站扫描袁架站自由度受限袁数据采集难度增加袁如果监测目标表面存在植被覆盖也会影响数据质量袁内业数据处理难度增大遥3 不稳定边坡三维变形监测为检验地面三维激光扫描技术在不稳定边坡变形监测中的应用成效袁选择融水至河池高速公路项目进行全流程三维激光扫描监测作业袁边坡变形监测总体流程如图1所示遥 融水至河池高速公路主线全长107.564km袁设计为双向4车道袁路基宽度26m遥 项目实施过程中需要对27个大型边坡进行实时监测袁传统监测方法需要在坡体岩石上钻孔固定棱镜并需要工程升降车现场配合袁作业效率低袁成本高袁难度大袁坡体不稳定随时有落石的危险袁 对作业人员安全构成严重威46窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期应用案例ZHEJIANGCEHUI胁遥 鉴于融河高速边坡监测的特殊性袁项目采用天宝TX8三维激光扫描仪定期获取边坡表面点云数据并进行科学全面的动态监测4袁TX8三维激光扫描仪技术参数见表1遥表 1 天宝 TX8 三维激光扫描仪技术参数扫描参数预览Level1Level2Level3Extend最大测程/m120120120120340扫描时间/min01:0002:0003:0010:0020:00点间距/10m 处15.1mm-点间距/30m 处-22.6mm11.3mm5.7mm-点间距/300m 处-75.4mm点数870 万点3400 万点1.38 亿点5.55 亿点3.12 亿点图 1 边坡变形监测总体流程图3.1 点云数据获取为保证监测数据的可靠性和准确性袁在不稳定边坡影响区域外选择合理位置布设两个基准点袁作为外业测绘时三维激光扫描仪的架站基准点和后视基准点袁其中后视定向采用标准球形标靶遥 外业扫描尽量较少人为因素干扰袁为了保证点云数据密度袁可以在完成首次全景扫描后使用较高档位对监测区域范围内目标进行加密扫描遥本次在4月16日10院00和4月17日10院00两个时间段分别采集两期边坡点云数据袁间隔时间24h袁边坡扫描示意图如图2所示遥图 2 边坡扫描示意图3.2 点云数据处理点云数据处理采用TrimbleRealWorks渊如下简称野TRW冶冤软件袁过程主要包括院点云拼接尧点云去噪尧点云提取等遥渊1冤点云拼接为了获取完整的监测目标区域点云数据袁外业需要进行多角度尧多测站扫描遥 采用球形标靶对扫描数据进行拼接配准袁拼接中误差应控制在1cm之内5袁为统一点云数据的坐标系统袁需要将相关控制点坐标和仪器高度参数录入TRW软件遥渊2冤点云去噪点云去噪目前主要采用人工结合软件自动去噪功能完成袁TRW软件自动识别与目标点云空间距离较大的特殊点云袁 自动进行点云去噪袁系统自动将树干噪声点及悬浮噪声点去除袁然后经过人工精修即可得到纯净的边坡地形点云数据袁点云剔除噪声点效果如图3所示遥图 3 点云剔除噪声点前后对比图渊3冤点云提取提取的点云数据要能够真实反映滑坡的表面特征状态袁并根据扫描对象整体点云平均间距重新进行空间采样袁避免出现点云数据冗余的现47窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期象袁本次测量的点云间距为5mm袁点云数据如图4所示遥TX8三维激光扫描仪的原始点云数据存储在*tzf文件中袁TRW软件处理后的点云数据可以导出包括*LAS尧*ASC尧*E57等多种通用格式6袁 结合项目实际情况本文点云数据使用的是最常用的*ASC格式数据袁然后利用三维建模软件加载点云数据构建边坡仿真三维模型遥图 4 两期边坡点云数据3.3 构建仿真模型边坡仿真三维模型是利用逆向工程软件GeomagicStudio2014加载点云数据生成TIN三角格网遥 为了保证模型的精度和效果袁尽可能真实表达边坡表面纹理特征袁首先要保证点云的纯净袁尽可能删除全部多余噪点袁其次需要对仿真模型进行包括简化尧优化尧填充空洞尧删除拓扑关系错误及空间散落的三角面片等多种深化加工处理7袁边坡仿真三维模型如图5和图6所示遥图 5 一期边坡仿真三维模型渊左:完整模型曰右:细部模型冤图 6 二期边坡仿真三维模型渊左:完整模型曰右:细部模型冤3.4 数据对比分析一期数据为参考数据袁 二期数据为测试数据袁 利用GeomagicControl2014软件进行偏差分析袁 得出前后两期数据的三维比较色谱偏差图袁如图7所示遥图 7 三维比较色谱偏差图本次三维比较的色谱颜色段共计13段袁为了便于区分偏差值的大小袁每一段都以不同的颜色显示出来袁也可以自定义色谱颜色段数尧色谱的最大/最小名义值尧最大/最小临界值袁根据项目需求可以定制包括PDF尧CSV尧HTML等多种形式的三维比较结果报告袁比较结果全面尧生动形象袁而且让人易于识别遥本次边坡监测是通过对比两期边坡仿真三维模型同一位置的偏差值遥 对比监测的公差类型为空间三维比较袁单位为mm袁色谱偏差分析图的最大/最小临界值为20mm袁最大/最小名义值为10mm袁最大上限/下限名义值为50mm8袁如图8所示遥图 8 色谱颜色段及相关参数本次监测点总数为2014112袁偏差值在最大/最小临界值渊20mm冤范围内的点数为1994988袁占比99.05曰 其中偏差值在最大/最小名义值渊10mm冤 范 围内的 点 数为1802454袁 占比89.49袁只有0.95%的监测点的对比偏差值超出最大/最小临界值渊20mm冤袁详见表2袁三维比较偏差分布如图9所示遥监测数据平均偏差为5.4950mm/-4.9597mm袁标准偏差为5.7881mm袁详见表3遥 几乎所有点的标准偏差值都在5mm以内袁 其中标准偏差值在3mm范围内的点数为1998172袁占比99.21袁详见表4袁标准偏差分布如图10所示遥监测数据标准差为5.7881mm袁 该数值与点云间距5mm基本一致袁 结合监测边坡基本为垂直岩体的特征属性袁基本可以判定两期监测数据应用案例ZHEJIANGCEHUI48窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期=Min/mmMax/mm点/个%-20-1859850.2972-18-1697910.4861-16-14155910.7741-14-12246881.2258-12-10403692.0043-1010173662786.2231012658273.26831214417532.0731416268991.33551618169230.84021820105350.5231超出最大临界值118710.5894超出最小临界值72530.3601表 2 三维比较偏差分布表应用案例ZHEJIANGCEHUI的三维对比结果是可靠的袁数据反映的变化状况与实际情况基本吻合袁监测边坡表面整体比较稳定袁变形较小遥此外袁 在监测区域范围内的敏感位置可以注释该监测点的偏差值以及其在坐标轴X尧Y尧Z方向上的偏差分量袁如图11所示袁也可以将注释内容导出表格袁详见表5遥图 9 三维比较偏差分布直方图表 3 三维比较偏差表最大上偏差/mm最大下偏差/mm平均偏差/mm标准偏差/mm41.4406-38.28505.4950/-4.95975.7881表 4 三维比较标准偏差分布情况表分布(+/-)点/个%-6*标准偏差/mm10-5*标准偏差/mm30.0001-4*标准偏差/mm87960.4367-3*标准偏差/mm455472.2614-2*标准偏差/mm22706411.2737-1*标准偏差/mm73511236.49811*标准偏差/mm70873735.18862*标准偏差/mm23099311.46873*标准偏差/mm507192.51824*标准偏差/mm71370.35435*标准偏差/mm20.00016*标准偏差/mm10图 10 标准偏差分布图图 11 三维比较注释视图渊下转第45页冤49窑窑浙江测绘 2023 年第 4 期际中心城市冶袁同时也即将迎来建市40周年袁叶图集曳的编制完成将为衢州野南孔圣地尧衢州有礼冶城市品牌宣传提供更多的支持遥6结束语政务地图是各级政府决策参考的重要工具袁是测绘事业对外宣传的有力手段袁随着阅读形式的不断发展袁地图制图项目大有作为袁需要进一步发掘新潜力袁建立制图技术与数据成果转换良性循环袁增强地图制图工作对政务工作决策管理的支撑力度遥本文以叶图集曳为例袁系统介绍了政务地图集的制作流程袁希望能够为其他市级政务地图集的设计与编制提供积极的参考价值遥参考文献院1 丁旭华.政务地图编制研究J.测绘通报袁2019渊12冤院147-151.2 庞玉华.对地图集总体设计的思考J.测绘通报袁2007渊5冤院63-653 曾芳袁梅懿芳袁汪菁等.叶黄冈城市地图集曳的设计与编制J.地理空间信息袁2023袁21渊4冤院115-117.4 沈新锋袁吴叶舟袁田毅清.浅谈叶金华市地图集曳的设计与制作J.浙江测绘袁2021袁渊1冤院56-59.作者简介院吴夏萍渊1991-冤袁女袁浙江衢州人袁助理工程师袁主要从事地理信息以及地图制图等工作遥Email院遥技术交流ZHEJIANGCEHUI4 结语本文利用地面三维激光扫描仪在不同时间段内扫描获取不稳定边坡监测面的点云数据袁利用专业软件对点云数据加工处理并构建仿真三维模型袁通过对监测数据深入对比分析袁可以证明地面三维激光扫描技术应用于大场景监测领域的方法是可靠的袁 并且相对于传统监测手段袁地面三维激光扫描技术可以实现无接触测绘袁提高外业作业效率及安全系数袁保证数据的完整性和准确性袁降低监测人工成本袁可以实现一次测绘尧多次应用尧数据可视化尧成果多样化的效果袁在大场景监测领域具有积极的推广应用价值遥参考文献院1 陈伟.三维激光扫描测量技术在变形监测中的应用J.地理空间信息袁2019袁17渊7冤院103-106.2 胡颖袁谢天袁杨希.三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究J.西部资源袁2020渊5冤院131-134.3 丁佩袁缪建军.三维激光扫描技术在土方测量中的应用J.城市勘测袁2018.4 苏涛.基于三维激光扫描技术的宝塔变形监测方法J.北京测绘袁2018袁32渊1冤院137-140.5 徐辛超袁徐爱功袁于丹.地面三维激光扫描点云拼接影响因.素分析J.测绘通报袁2017渊2冤院14-18.6 邱延林.基于地面 LiDAR 对滑坡体应急监测研究D.南昌工程学院袁2020.7 胡影峰.GeomagicStudio 软件在逆向工程后处理中的应用J.制造业自动化袁2009袁31渊9冤院135-137.8 谢海荣.三维激光扫描技术在建筑领域的应用研究D.合肥工业大学袁2017.作者简介院王金帅渊1988-冤袁男袁河南商丘人袁工程师袁硕士研究生袁主要从事三维激光点云技术应用方面的工作遥Email院遥表 5 三维比较注释表名称偏差/mm偏差 X/mm偏差 Y/mm偏差 Z/mmA0331.55441.29690.5711-0.6389A034-5.4731-4.9795-1.74601.4527A03511.20189.7119-0.9369-5.5029A0377.15767.0926-0.96260.0105A0385.47225.0551-0.6684-1.9860A039-1.6623-1.36610.10940.9407A0402.93342.5909-0.0927-1.3723A041-3.4993-2.63611.90931.2848A0427.51936.5803-3.4249-1.2284A043-0.5437-0.50060.1790-0.1142A044-10.7516-9.6192-1.95364.3876A0452.40422.2748-0.7779-0.0123A0463.07882.7143-0.9908-1.0627A0472.06141.7059-1.1182-0.2976渊上接第49页冤45窑窑