三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用

三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用

摘要：本文介绍了三维激光扫描的原理及特点、误差成因以及数据处理的方法，通过实例，讨论了其在滑坡变形监测领域的可行性、优势和存在的问题，并将地面三维激光扫描技术与常规变形监测方法进行对比，得到定量的分析结果。

关键词：滑坡变形监测三维激光扫描仪监测方法

引言

近年来，滑坡地质灾害的濒临发生给人们的生命和财产都带来巨大损失，所以对灾害体进行实时的监测有着非常重要的意义。三维激光扫描技术是最近十几年迅速发展起来的一种新的测量技术，它的应用使对滑坡灾害的监测更实时有效，对于及时预报灾情，保障人们生命和财产安全有重要的意义。

1、地面三维激光扫描技术原理与特点

1.1 工作原理

三维激光扫描仪其主要原理是通过测量其所在中心距目标体的距离然后根据以下公式计算目标体的三维坐标。

X=Ssinθsinα；

Y=Ssinθcosα；

Z=Scosθ

激光扫描仪是根据光学三角测量的原理(见图)，以激光作为光源，通过内部发射装置，将激光束投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，通过测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间或相位差，计算出其到物体扫描点之间的距离值S和反射强度i ，通过距离值就能够获取被测对象表面每个采样点的空间立体坐标，从而得到被测对象的离散采样点集合，即激光点云。

1.2 三维激光扫描仪的特点

（1）实用有效的测距范围大，与无反射棱镜测量仪器相比，几乎可以满足所有测量领域。

（2）全方位视角的扫描特点，进行扫描时不受视场角的限制，几乎没有盲区。

（3）测量点位精度高，对远镖靶的扫描有较高的精度，保证了拼接精度。

（4）扫描速度快，能够实现快速高效的测量。

1.3数据采集及误差分析

外业数据采集包括架站、定向、拍照、粗扫、精扫五个步骤。设站成功后，连接扫描仪和电源，打开电源开关让仪器自检；设置笔记本与扫描仪之间的通讯，启动配套的Cyclone软件并建立数据库与工程文件，连接扫描仪并通过设置角度范围对扫描区域进行拍照。

影响地面三维激光扫描仪采样数据精度的因素较多，主要包括步进器的测角精度、仪器的测时精度、激光信号的信噪比、激光信号的反射率、回波信号的强度、背景辐射噪声的强度、激光脉冲接受器的灵敏度、仪器与被测点间的距离、仪器与被测目标面所形成的角度等。

1.4 数据处理

利用三维激光扫描仪点云数据采集完成后，应用配套的Cyclone软件，即可对采集的数据进行多视点云的拼接、噪声处理、点云滤波、数据的输出等处理。在处理过程中应根据实际的应用对数据进行具体的预处理。

2、实例分析

本文使用徕卡公司的ScanStation2地面型三维激光扫描仪对西安市清凉寺滑坡体进行测量，对所采集数据进行多视点云拼接，并对其进行去噪、滤波处理前后的点云数据进行对比如图2-1所示.

图2-1点云数据处理前后对比图

通过对滑坡前后对滑坡体进行测量，对点云数据处理后得到滑坡前后滑坡区的等高线图，由图可以明确分辨出滑坡所在位置（图2-2），并且通过这些点云数据可以更准确建立滑坡体的地面高程模型，从而更准确计算土方量。

图2-2滑坡前后等高线图

在滑坡前后用三维激光扫描仪和全站仪分别对监测点进行观测，通过计算，可以得到基于两种观测方式的监测点的变形量，并针对三维激光扫描仪监测精度进行评定。

表1 监测点变形量及位移插值

表2 点位中误差及高程中误差

通过与表2中各等级滑坡监测点的施测精度要求对比得出，其监测的点位中误差及高程中误差均满足三等监测的精度要求，足以表明其在滑坡变形监测领域的应用是可行的。

3、结论

由本文可知三维激光扫描仪精度完全满足三等监测精度要求，与传统全站仪、GPS一体机相比，其数据采集量更大、速度更快、精度更高；用点云数据计算出的土方量也更加准确。其克服了传统变形监测基于点的监测的片面性，可得到监测区域完整的点云数据，从而得到滑坡体的基于面的变形信息。但是也存在着许多的不足，如质量较重、体积较大，在滑坡地形中的操作和搬运都不太方便，有待进一步的完善。随着激光技术的进步与发展，相信三维激光扫描技术在滑坡变形监测中的应用会越来越广泛。

参考文献:

[1]刘景程. 三维激光扫描仪技术在滑坡监测中的应用[D].西安：长安大学.2012

[2]马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉：武汉大学.2005

[3]郑德华，沈云中.三维激光扫描仪机器测量误差影响因素分析[J].测绘工程,2005,(2):32-34