摘要：高边坡工程采用三维激光扫描技术对施工期的变形监测，克服了传统单点监测方法的不足，获得了边坡整体的变形规律，为边坡施工安全控制和稳定性评价提供了更加准确、可靠的数据，并对三维激光扫描技术原理、实施方法和误差来源进行了详细讨论。和单点激光测距仪的数据对比表明，这是一种高效、准确、可行的边坡变形监测方法，可为类似工程提供参考。
关键词：三维；激光扫描；高边坡；变形检测
目前，边坡变形监测方法包括点对点和点对面两种方式。点对点方法主要有全站仪测量、GPS监测等，点对面方法主要有三维激光扫描技术、合成孔径雷达干涉测量技术、摄影测量技术等。和点对点监测方式相比，点对面监测方式可以获得边坡的整体变形数据，为边坡施工监测和安全预警提供更准确、全面的动态变形信息。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量被测坡面的空间三维坐标，获得海量的高精度点云数据，通过三维重构和可视化处理，得到边坡整体变形场分布规律和变形趋势，是近年来迅速发展并日趋成熟的一种高效、准确和便于精细建模的测量技。
1概述三维激光扫描技术
随着社会的发展，各项技术得到了较大程度的提升。在矿山工程的测量方面，三维激光扫描技术得到了快速发展和技术提升。三维激光扫描技术作为一种具备实景复制能力的技术，在测绘领域得到了良好的发展，其不仅突破了传统的单点测量方式，还具备了较高的测量效率、较高的测量精度，能够将扫描到的物体表象为三维点云数据；其在高速激光测量的过程中，能实现大面积高分辨的获取物体信息，快速、大量采集空间点位资料，进而建立三维影像模型。因此，三维激光扫描技术具备了快速、高效、高精度、实时、动态、自动、数字化的技术特点。从当前市场上具备的三维激光扫描仪进行分析，主要是由数据采集等的硬件部分和数据处理等的软件部分等组成。按照载体的不同可将三维激光扫描系统分为机载式、车载式、地面式及手持式等多种形式。按照测量方式的不同，可以分为脉冲式、相位差式、三角测距式；按照用途可分为室内型（短距离）和室外型（长距离）。三维激光扫描技术主要利用激光测距的工作原理，以物体的三维坐标、反射率和纹理为表象，快速复制被测物体的点、线、面及体等方面的数据，逐步形成立体影像。从当前的三维激光扫描仪可以知道，其基本具备三维测量、快速扫描等特性。因此，三维激光扫描技术在较多领域都具备良好的市场前景，如文物古迹的保护、工程测量、矿山研究、工厂改造、数据监测、交通安全、灾害评估、地质地形、军事分析等。
2三维激光扫描系统工作原理
三维激光扫描仪采用非接触式激光测量的方法，以点云方式表现目标物体表面的几何特征。仪器发射激光束到旋转式镜头中心，镜头通过快速而有序地旋转将激光依次扫过被测区域，激光接触到物体后，光束立刻被反射回扫描仪，通过内部微电脑计算光束的飞行时间从而计算出激光光斑与扫描仪两者之间的距离；同时，仪器通过内置角度测量系统来量测每一激光束的水平角与竖直角，进而获得每一个扫描点在扫描仪所定义坐标系内的X、Y、Z坐标值。
3三维激光扫描技术在边坡测量中的应用
3.1数据采集
三维激光扫描仪由于受视场角限制，为获取整个物体表面的数据，需要从不同视角进行多次扫描，完成各扫描站之间的数据配准。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在扫描中，为了获取点云精确空间位置信息，应将三维激光扫描仪的摄站位置安置在三等导线点及二级三角点上，选择远距离三等导线点作为后视点，对公路边坡表面进行，全方位扫描使用随机控制器记录扫描数据。三维激光扫描仪的扫描距离是影响扫描精度的关键因素，尽管扫描距离的增加可以增大扫描范围，减少设站次数，然而采集的数据精度也随着距离的增加而递减。
3.2数据处理
在三维数据处理过程中，数据去噪较为重要。因为激光扫描仪自身具有一定的局限性，且在扫描过程中会受到外界环境的影响，扫描目标会得到阻挡以及遮掩，生成的数据通常会有大量的噪声点，其会对数据的后期处理造成较大影响，同时也会降低变形监测的精度，这也就增加了变形探测的难度。所以为了获取目标物体信息的最佳值，需要对扫描获得的原始数据中的干扰地物进行处理，避免其对于后期的粗差剔除造成影响。在剔除噪音数据后需要进行深化处理，排除带有粗差数据信息以及无效的形体信息。
3.3监测频率
一般来说，三维激光扫描技术在公路边坡监测中的频率，要遵循一定的要求，包括相关技术规范、数据反映情况、外界条件变化等，并根据具体情况的变化适当进行调整。比如，在公路施工的前三个月和雨季，频率为1次/月，如果遇到暴雨，需要在雨后进行监测，以完善全年数据。
3.4功效分析
在公路边坡的监测中，传统的测量方式是在若干点上进行分期测量对比，具有以点带面的弊端，同时提高测量人员的工作量和工作时间，还会对交通的正常通行形成干扰。而三维激光扫描技术具有速度快、精确度高的特点，可以弥补传统测量的弊端，同时还可以实现毫米级间距在点云数据中的线、面比较，另外，该技术采用非触式测量的方式，既可以降低测量人员的工作量，还可以提高测量的安全系数。
3.5监测精度分析
在本项目中，影响监测精度的环节主要包括以下几个方面，在作业的各个阶段做到规范操作，将能够很好地控制扫描测量的精度。其理论误差如下：①控制测量工作中，针对控制点的测量误差控制范围为：±2mm；②点云拼接精度为：±1mm；③在线比较及面比较中，点云拟合精度为：±1mm。加之人为和天气的影响，总体误差控制在6mm之内。为减少由于其他因素对最终成果的影响，应尽量保证相同的作业条件，并尽量避免通车的影响，减小噪音数据。扫描密度设置、范围选择都应是固定不变。
总结：经济快速发展引起物流、人流需求增加，导致目前一些高速公路交通量趋于饱和，改扩建势在必行，将成为新一轮公路建设的重要工作。运营状态下高边坡路段的扩挖不仅制约整个高速公路改扩建工程的成本和工期。而且影响交通运营安全。综上所述，运营状态下高边坡路段的扩挖施工关系到高速公路改扩建工程的造价、工期和交通运营安全，开展施工变形监测对保障安全、降低风险具有重要的意义。
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论文作者:刘茂林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：激光论文; 测量论文; 技术论文; 数据论文; 扫描仪论文; 精度论文; 物体论文; 《基层建设》2019年第1期论文;