摘要：传统的地表变形监测手段主要是应用GPS 和全站仪对重要点位进行连续观测，然而，这种观测手段的监测点较少，无法对滑坡体进行整体监测，并且在地形复杂区域布设控制点困难，外业工作量大，成果获取周期长，大大影响监测效率。随着地面三维激光扫描仪的出现，利用高精度、高密度点云数据进行地表形变监测成为一种很好的途径。
关键词：三维激光扫描仪；地形变化；监测
三维激光扫描技术是20世纪90年代中期兴起的一种高新测量技术，又被称为“实景复制技术”，是继全球定位系统（GSP）技术之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取研究目标表面的三维坐标数据，可以快速地采集大量的空间点位信息。
1 三维激光测量技术
1.1地面三维激光扫描仪的选择
地面三维激光测量因其能够快速、高效地获取高精度、高密度的监测对象点云数据，大大提高了作业效率，近年来发展迅速，且被广泛应用于各行各业中。目前，Riegl、Trimble、Leica等主要仪器生产厂商提供的仪器型号众多，不同型号的仪器性能参数差异较大，因此，根据扫描需求选择合适的扫描仪型号尤为重要。对于滑坡体的变形监测应用来说，一般测量范围较大，需要选择测程较长的扫描仪，本研究选用了Riegl公司VZ-4000 扫描仪，该扫描仪的最大有效扫描距离可达4000 m，150 m测量精度15 mm，重复测量精度10 mm，水平扫描范围360°，垂直扫描范围60°，扫描速度每秒30000点，能够满足一般变形监测的需求。
1.2 点云数据拼接与坐标转换
地面三维激光仪扫描获取的点云数据是在以测站为中心的局部坐标系下，在不同测站获取的点云数据坐标系并不统一。如果在扫描过程中布设了多个测站，就需要对多站扫描的数据进行拼接，统一到同一坐标系下。同时，变形监测是对获取的多期点云进行比较分析，因此，各期的扫描数据也必须统一到同一坐标系下。目前有两种常用方法来实现坐标系的统一：①先将多个测站的数据配准，然后测得 3个以上标靶的大地坐标，将配准后的点云数据直接转换到大地坐标系下；②对每一测站分别布设 3 个以上的标靶并测得标靶的大地坐标，将每一测站数据都直接转换到大地坐标系下。考虑到变形监测范围较大，布设标靶要满足每个测站都能观测到比较困难，因此本研究采用第二种方法，即在每一测站的布设 3 个以上的标靶，直接进行大地坐标转换。
1.3 点云数据的滤波
在实际测量过程中，由于测量设备、测量环境、表面光洁度、表面涂层对光线的反射率以及人为操作等因素的影响，都会不可避免地引入不合理的测量数据（即噪声），而这些噪声点对点云的数据处理有很大的影响，为了保证监测的准确性，必须对原始数据进行去噪滤波处理。点云噪声滤波主要是根据点云的局部属性，以点云局部的法向量变化、K邻域数目以及点到局部拟合曲面的距离等约束属性来判断某点是否属于孤立噪声或随机噪声，然后采用对应的滤波方法进行滤波处理。对于孤立点噪声，由于其一般具有邻域点较少或不存在邻域的特征，因而在孤立点的滤波过程中，可以较为简单地在点云K-D树索引基础之上，通过判断该点一定邻域范围的邻近点个数是否小于判定阈值来判断是否为孤立点。算法说明如下：1）点云数据构造K-D树，建立点云拓扑关系。2）求点云中任意一点邻域范围内邻近点个数。3）判断邻近点个数是否小于判定阈值，若小于则认为该点为噪声点并去除。4）重复上述步骤，直至点云中所有点都处理完毕。
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2 三维激光扫描技术在变形监测中的方法
从当前三维激光扫描技术在变形监测中的发展现状来看，其方法主要有以下三种：
2.1标靶标志法
在研究区域安装多个稳定的、均匀分布的标靶，用三维激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，在后续处理中将标靶分辨出来提取中心坐标，通过比较各时段标靶中心坐标的变化来提取变形信息。这种方法类似于传统的设置监测点的方法，可以同时获取点的水平位移情况。相对于传统变形监测的方法，这种方法精度更高，但无法充分发挥三维激光扫描技术的优势。
2.2 DEM求差法
这种方法一般运用于地表的变形监测，利用三维激光扫描仪在不同时段扫描研究区域，将两次或多次获取的点云数据经过数据预处理后，建立高精度的数字高程模型（DEM），同时将各时段的DEM统一坐标系统，进行不同时段的DEM比较相减，就可以得到整个区域对应任意坐标的下沉值。我们可以基于Matlab和CAD等相关软件将变形值制成断面图、曲线图、三维变形曲面图来反映变形情况，基于不同时间段的点云数据建立的DEM是不一样的，有时为了比较相同水平坐标点的高程变化，我们需要以初始DEM数据作为参考，将后面的DEM进行内插计算，即以某坐标相邻点的高程加权平均值作为该点高程。有时我们为了研究一些点的水平位移，或为了研究地表水平移动的规律，通常与传统监测方法结合使用。
2.3 模型求差法
这种方法一般运用于建筑物、隧道等空间物体的变形监测中，利用三维激光扫描仪获取物体的点云数据，经过数据预处理后生成物体的表面模型，或进行三维建模，将不同时段内的模型统一到同一坐标系中，以不同时段的模型进行对比分析可以提取变形量。可以看出，DEM求差法其实是模型求差法的一种特别运用。
3 三维激光扫描技术在变形监测中存在的问题
3.1 现有的变形监测一般是基于监测点的变形观测，这不完全适合基于三维激光扫描技术的变形监测，所以无监测点的变形监测方法有待探究。
3.2与三维激光扫描技术相关的精度评定和误差理论等必须进一步完善，如扫描过程中的遮挡问题，如果处理的不好将会大大影响变形观测的质量。
3.3模型求差法中的变形量可以通过不同时段的两个三维模型进行整体对比来获得，这样就必然会涉及到模型匹配的问题。匹配的精度对变形量的获取精度有着直接的影响。
3.4目前为止，在变形监测的数据精度和模型精度上还没有一个统一的精度评价体系。
4 结语
地面三维激光扫描技术应用于变形监测领域是完全可行的，虽然其在测量精度上略低于 GPS、全站仪等传统监测手段，但是其对大范围区域快速、连续、全方位监测的优势是其他监测手段所不具备的。地面三维激光技术为变形监测工程提供了一种新的解决方案并具有巨大的发展潜力，随着扫描仪软硬件系统的不断发展，激光扫描技术将会成为一种常规监测手段应用于变形监测之中。
参考文献：
[1] 刘希林，张大林. 基于三维激光扫描的崩岗侵蚀的时空分析[J]. 农业工程学报，2015（4）.
[2] 张国辉. 基于三维激光扫描仪的地形变化监测[J]. 仪器仪表学报，2006（s1）.
[3] 陈国华. 基于三维激光扫描仪的变形观测和分析[J]. 工业c，2016（6）.
论文作者:赵培旺
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/30
标签：激光论文; 扫描仪论文; 数据论文; 坐标系论文; 测量论文; 精度论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第10期论文;