基于TLS技术的道路边坡地表位移监测研究论文_付波

基于TLS技术的道路边坡地表位移监测研究论文_付波

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摘要:TLS技术的产生和应用为边坡监测工作的开展创造了便利条件,不仅可以提高边坡监测效率,同时也可以确保边坡监测的准确度 。基于此,本文首先对TLS技术进行了简单介绍,其次从数据预处理、曲面重建、数据精度以及位移分析等方面对TLS技术在边坡监测 工作中的应用进行了探讨,希望可以为我国边坡地表监测工作提供一些帮助。

关键词:TLS技术;边坡地表位移;曲面重建

引言:从目前我国边坡监测工作开展的现状来看,还面临着很多困境,比如监测环境复杂、监测设施落后以及监测点设置不科学等等 ,在一定程度上降低了边坡位移监测效果。而对于TLS技术来说,可以对边坡的点云数据进行采集,在数据处理、曲面重建等的基础上 会形成边坡DEM,再通过DEM叠加、截面截取以及对比分析等,对边坡位移情况进行准确判断,因此通过TLS技术对边坡地表位移进行监 测是十分可行的。

1TLS技术简介

TLS的全称为Terrestrial Laser Scanning,是一种激光扫描技术,主要是指在地面通过激光扫描仪器对被测物体的三维坐标进行自动 、快速地获取,具有精度高、稳定性强等特点。和传统的GPS测量以及全站仪测量等单点测量方式不同,激光扫描可以对被测物体的大 量三维坐标进行获取,可以对被测物体的形态、位移情况等进行有效监测,因此被广泛应用在多种地表位移监测当中[1]。

2基于TLS技术的道路边坡地表位移监测研究

TLS技术在边坡地表位移监测中的应用主要体现在下述几个方面:

2.1数据预处理

在对点云数据进行预处理时,可以从去噪、配准以及精简等方面进行考虑。

第一,点云去噪。由于在对边坡数据进行获取时会受到外界环境的干扰,所以在通过激光扫描仪对采样点数据进行获取时,一定会出 现噪声点。利用点云去噪,可以对一些冗杂数据进行去除,对噪音点偏差值进行有效降低,进而增强物体形状的直观性与真 实性,其采样模型为:

Pa=mn(xa,ya,za)+ms(xa,ya,za)+ze(xa,ya,za)+zf(xa,ya,za)。

其中,ms(xa,ya,za)指的是由被测物体所存在的不足之处而产生的偏差,主要体现在表面波纹以及表面粗糙度等方面;ze(xa, ya,za)指的是测量系统自身的误差;zf(xa,ya,za)指的是测量系统由于受到一些因素的干扰而产生的随机误差,其影响因素主 要体现在热噪声以及电噪声等方面。

第二,点云精简。点云精简主要是通过一些特征点来增强点云模型的逼真效果。本文主要是通过随机采样法,对精简对象的边界进行 明确,再通过随机函数,对随机点进行去除,如此一来,不仅可以减少边坡地表位移监测的随机性,同时也可以减小地表位移监测偏 差,其精简流程为:首先,需要根据实际需要对阈值A进行合理设定;其次,需要对某一点所涉及到的三角平面片进行全面搜索,设其 总和为B,再将其中一个平面的法向量C作为基准,求出其余平面法向量Di和C的差值,并将其设为Fi;再次,将B-1个三维分量的值进 行取正,进而得到它的模,在此基础上取其均值,其公式为:

G= 。

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如果G A,那么需要将该点删除,反之,则需要对该点进行保留;最后对流程二和流程三进行重复,进而实现所有数据的有效处理。

第三,数据配准。数据配准指的是在同一坐标系中实现点云数据的集合。在这个过程中,可以对ICP算法以及特征点配准等进行灵活运 用,由于本文所选择的是一站点云数据,因此不需要进行配准[2]。

2.2曲面重建

曲面重建指的是对各种曲面重建方法进行灵活运用,目的在于让离散点云数据生成新的连续曲面。对于NURBS(非均匀的有理B样条) 来说,是一种优秀的建模方法,可以对规则曲线、自由曲线等进行有效表示,本文主要通过这种建模方法对曲面进行重建。

一方面,需要对NURBS模型曲线进行构建,其构建公式为:

P(a)= 。

其中,ti,j属于权因子;hi,j属于控制顶点;Mi,k(a)属于B样条的基函数。

另一方面,需要对NURBS模型曲面进行构建,其公式为:

P(a,b)= 。

A=[a0,a1,……ax+1]。

B=[b0,b1,……bx+1]。

其中,hi,j属于控制点的拓扑矩阵,是一个控制网格;ti,j属于权因子,对于四角顶点来说,应该使用正权因子;对于Mi,k(a) 以及Mj,l(b)等来说,属于B样条基函数;A、B则为节点矢量[3]。

2.3提高数据精度的措施

对于激光点云数据的精度来说,具有多种影响因素,其中影响比较大的因素包括扫描距离和扫描体颜色。为了对边坡监测要求进行有 效确保,在对边坡点云数据进行采集以及处理时,需要采取一些有效手段,进而对误差进行有效避免。比如,可以对边坡和TLS之间的 距离进行适当减小,进而降低监测误差;同时也可以选择一站式扫描,进而对配准误差进行避免;另外,在扫描过程中,可以将云质 量调到“高质量”,进而对误差进行缩小。

2.4地表位移监测分析

通过TLS技术对边坡地表位移进行监测,实际上就是在公共点的基础上,将各个期的点云DEM进行叠加,然后再对各个截面进行截取, 最后对不同期点云模型的差值进行对比分析,进而对边坡地表的位移情况进行准确判断。

结论:总而言之,TLS技术是提高边坡位移监测水平的有效手段,是边坡位移监测发展的一大趋势。因此对于边坡监测人员来说,应该 意识到TLS技术对边坡监测的重要性,在明确其内涵的基础上,对其进行合理应用,通过去噪、配准以及精简等方式对数据进行预处理 ,再通过NURBS模型对曲面进行重建,同时也要采取有效手段对数据精度进行确保,最后在对比分析的基础上,实现边坡位移情况的准 确判断。另外,对于边坡监测人员来说,也需要对TLS技术进行深入研究,对它的潜在价值进行全面挖掘,进而增强边坡监测效果,对 边坡的稳定性以及安全性等进行保障。

参考文献:

[1]孟万利,蔡来良,王姗姗,等.基于TLS技术的矿区地表沉降快速自动获取研究[J].地理与地理信息科学,2017,33(3):36-41.

[2]刘德贺,史玉峰.基于TLS技术的道路边坡地表位移监测研究[J].森林工程,2018(2).

[3]陈卫.基于TLS技术的危岩体变形监测方法研究[D].长安大学,2014.

论文作者:付波

论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期

论文发表时间:2018/7/18

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