三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中的應用 李棟梁

1、三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中的應用 李棟梁摘要：變形監(jiān)測就是利用專用的儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、 對變形體變形形態(tài)進行分析和變形體變形的發(fā)展態(tài)勢進行預測等的各項工作。變 形監(jiān)測的任務就是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小、及位置 變化的空間狀態(tài)和時間特征。關鍵詞：三維激光掃描技術；變形監(jiān)測；隨著激光掃描硬件設備的升級優(yōu)化，三維激光掃描儀與其他設備更加易于集 成，數(shù)據采集簡單迅速，可實時處理點云數(shù)據，快速構建三維模型。與傳統(tǒng)變形 監(jiān)測方法相比，將三維模型用于變形監(jiān)測更加全面，自動化、智能化強度高，實 時性好，且精度高。一、三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中存在的問題 雖然三

2、維激光掃描技術在變形觀測中的應用越來越廣泛，理論研究越來越成 熟，然而仍有很多存在的問題限制了它在變形觀測領域的發(fā)展，主要有：（1） 現(xiàn)有的變形監(jiān)測一般是基于監(jiān)測點的變形觀測，這不完全適合基于三維激光掃描 技術的變形監(jiān)測，所以無監(jiān)測點的變形監(jiān)測方法有待探究。（2）與三維激光掃 描技術相關的精度評定和誤差理論等必須進一步完善，如掃描過程中的遮擋問題 如果處理的不好將會大大影響變形觀測的質量。（3）模型求差法中的變形量可 以通過不同時段的兩個三維模型進行整體對比來獲得，這樣就必然會涉及到模型 匹配的問題。匹配的精度對變形量的獲取精度有著直接的影響。（4）目前為止, 在變形監(jiān)測的數(shù)據精度和模型精度上

3、還沒有一個統(tǒng)一的精度評價體系。二、三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中的優(yōu)點三維激光掃描儀的單點定位精度一般能達到亞厘米級，甚至其模型精度還 要遠高于這個精度。目前，針對三維激光掃描技術能否應用于變形監(jiān)測中這一問 題，很多研究人員都做了大量的試驗，試驗結果證明三維激光掃描儀完全可以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方式來進行變形觀測測量。與基于傳統(tǒng)測量或GPS的變形監(jiān)測技術相比，三維激光掃描儀能高效率、 高精度地采集到目標表面的點云數(shù)據，有效地避免傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術中，采用設 置監(jiān)測點方法（即以點代面的分析方法）所帶有的局部性和片面性。與基于近景攝影測量的變形監(jiān)測技術相比，盡管三維激光掃描技術無法像 近景攝影那樣能形成基于

4、光線的連續(xù)三維模型數(shù)據場，但它比近景攝影具有更高 的工作效率，并且其后續(xù)數(shù)據處理也更為容易，能快速準確地生成監(jiān)測對象的三 維數(shù)據模型。與傳統(tǒng)的測量技術相比，三維激光掃描儀還具有非接觸性，數(shù)字化、可視 化性，自動化，實時、動態(tài)性等優(yōu)點。三變形分析的方法方法介紹。在使用該技術對變形的情況進行監(jiān)測時，主要是利用點云數(shù)據 進行比較，具體是在不同時期下對對象進行監(jiān)測，然后獲取到相關的點云數(shù)據， 將獲取到的點云數(shù)據進行比較，通過比較找出發(fā)生變化的信息，然后對這些信息 數(shù)據進行分析，進而實現(xiàn)對變形情況的監(jiān)測。點云之間的比較。利用點云直接進行比較，是先在不同時期下獲得點云數(shù) 據，然后對這些數(shù)據作差，以此來獲得

5、監(jiān)測對象具體的形變量，常用的方法有三 種：一是最佳擬合面；二是 Hausdorff 距離法；三是平均距離法。但是后兩者在 使用的過程中容易受數(shù)據質量影響，因此主要是對最佳擬合面進行分析，并以此 來對點云數(shù)據間存在的差異進行提取。該方法的具體步驟分為四步，第一步是先 獲取到兩期的點云數(shù)據，之后對選定的數(shù)據進行濾波處理，以此來清除在監(jiān)測過 程中測得的噪聲點。第二步是建立針對性的索引結構，如格網索引以及八叉樹等 以此來提升對數(shù)據的查找效率。第三步是對于所選擇第二期的點，在之前一期中 K 鄰域進行查找。第四步是利用 K 鄰域點制作成平面。然后對其他需要分析的點 到平面的距離進行計算，將計算的結果與閾值

6、進行對比，距離大于該值，則將其 視為變化點。點云模型之間的比較。模型之間對比相較于上文的方法，多了一個過程， 就是在獲得監(jiān)測對象的點云數(shù)據之后，先按照這些點云數(shù)據建立相關的模型，其 次直接對模型進行求差，或者比較其相關的關系，以此來對監(jiān)測中產生的變量信 息進行提取。在對地形數(shù)據進行提取時，可以先根據數(shù)據制作成 DEM 模型，然 后在該模型上對變量進行提取。具體的模型比較步驟分為四步，一是先獲取到相 關的點云數(shù)據，對這些數(shù)據統(tǒng)一進行濾波處理，以此來消除在獲取數(shù)據的過程中 受到外界干擾較大的數(shù)據，保證數(shù)據的精確性；二是利用處理之后的數(shù)據進行模 型的構建；三是對各個數(shù)據建立模型之后的坐標系以及精度進

7、行統(tǒng)一，以前期數(shù) 據建立的模型為評判模型，將之后建立的模型使用內插的方法插入到評判模型當 中，然后對模型圖中的所有坐標進行統(tǒng)一，進而使得建立的模型更加準確；四是 根據模型上面顯示出來的變化情況來對變形的程度進行分析。四、三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中的方法 從當前三維激光掃描技術在變形監(jiān)測中的發(fā)展現(xiàn)狀來看，其方法主要有以下 三種：標靶標志法。在研究區(qū)域安裝多個穩(wěn)定的、均勻分布的標靶，用三維激光 掃描儀在不同時段掃描研究區(qū)域，在后續(xù)處理中將標靶分辨出來提取中心坐標， 通過比較各時段標靶中心坐標的變化來提取變形信息。這種方法類似于傳統(tǒng)的設 置監(jiān)測點的方法，可以同時獲取點的水平位移情況。相對于傳統(tǒng)變形

8、監(jiān)測的方法 這種方法精度更高，但無法充分發(fā)揮三維激光掃描技術的優(yōu)勢。DEM求差法。這種方法一般運用于地表的變形監(jiān)測，利用三維激光掃描 儀在不同時段掃描研究區(qū)域，將兩次或多次獲取的點云數(shù)據經過數(shù)據預處理后， 建立高精度的數(shù)字高程模型（DEM），同時將各時段的DEM統(tǒng)一坐標系統(tǒng)， 進行不同時段的DEM比較相減，就可以得到整個區(qū)域對應任意坐標的下沉值。 我們可以基于Mdtldb和CAD等相關軟件將變形值制成斷面圖、曲線圖、 三維變形曲面圖來反映變形情況：基于不同時間段的點云數(shù)據建立的DEM是不 一樣的，有時為了比較相同水平坐標點的高程變化，我們需要以初始DEM數(shù)據 作為參考，將后面的DEM進行內插計

9、算，即以某坐標相鄰點的高程加權平均值 作為該點高程。有時我們?yōu)榱搜芯恳恍c的水平位移，或為了研究地表水平移動 的規(guī)律，通常與傳統(tǒng)監(jiān)測方法結合使用。模型求差法。這種方法一般運用于建筑物、隧道等空間物體的變形監(jiān)測中， 利用三維激光掃描儀獲取物體的點云數(shù)據，經過數(shù)據預處理后生成物體的表面模 型，或進行三維建模，將不同時段內的模型統(tǒng)一到同一坐標系中，以不同時段的 模型進行對比分析可以提取變形量?？梢钥闯?，DEM求差法其實是模型求差法 的一種特別運用。五、三維激光測量技術的應用選擇地面三維激光掃描儀。在變形測量的過程中使用地面三維激光的方式 有著諸多的優(yōu)點，其不僅可以提升監(jiān)測的效率，還可以保證監(jiān)測的精度

10、。而對于 掃描儀的型號，隨著其應用范圍的擴大，也變的越來越多。包括有 Trimble、Leica 等，其不同的型號也存在有較大的差異，所以，在實際的變形監(jiān)測當中一定要結 合具體的要求進行儀器的篩選。在對邊坡的變形進行監(jiān)測時，由于需要進行大范 圍的測量，所以在測程的選擇上應該選擇測程相對較大的儀器，諸如VZ-400掃描 儀。點云數(shù)據的拼接。該掃描儀對監(jiān)測對象進行掃描時，需要搭設多個測站， 然后獲取每一個測站的點云數(shù)據，由于測站的局部坐標系存在差異，因此在對獲 取到的數(shù)據進行分析時，需要先將不同的點云數(shù)據進行拼接，然后將其展示到一 個相同的坐標系上，對點云數(shù)據進行具體地分析對比，之后對變形情況進行分析。 為了對不同的坐標系進行統(tǒng)一，通常使用的方法有兩種，一種是先對不同的測站 進行數(shù)據的配準，然后測出大地坐標，坐標的數(shù)量不得低于三個，隨后將已經配 準過的數(shù)據直接在大地坐標上進行轉換。第二種是在每一個搭建的測站上都布置 大地坐標