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深圳市长勘勘察设计有限公司
摘要：三维激光扫描技术应用范围也越来越广，利用三维激光扫描技术采集数据具有效率高，数据量大，速度快等诸多优点，而且其数据本身具有较高的精度。本文就三维激光扫描技术在边坡变形监测的应用进行探讨。
关键词：变形监测 三维激光扫描
前言
20世纪90年代中期出现并发展起来的三维激光扫描技术，可以简单高效地获取变形体的三维数据，把以前以点代面的监测方法改变为全局性的整体监测方法，全面地掌握变形体的变形过程和变形规律，丰富变形测量的内涵。与传统的滑坡监测技术相比，三维激光扫描技术具有无需事先埋设监测设备、无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够反映坡体的总体变形趋势等特点，可以快速获取高密度、高精度的三维点云数据，经数据处理及建模后可以得到整个变形监测体的变化信息，对监测结果进行研究可掌握其变形发展规律，开展滑坡灾害预报研究。本文采用RIEGL VZ一1000脉冲式三维激光扫描系统，以监测某立交桥的边坡变形为实例，进行数据采集，引入第三方点云数据处理软件Geomagic Studio和Geomagic Qualify进行后期数据处理和变形分析，研究了边坡挡墙监测的技术路线以及监测数据处理方法。
1 地面三维激光扫描技术的基本原理
地面三维激光扫描系统主要由扫描仪、计算机、电源供应系统和其他附件设备组成。激光扫描仪本身包括激光测距系统和成像系统，同时也集成了CCD和仪器内部控制及校正系统等（如图1所示）。
图1固定式地面激光扫描系统示意图
激光扫描仪的测距方法是根据光学三角测量的原理，以激光作为光源，将其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，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，计算物体的深度信息（如图2所示）。
图2激光三角法原理图
激光扫描仪的发射器通过激光一极管发射近似红外波的安全激光束，对所测对象进行立体面状扫描。在扫描仪内，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平方向值a和大顶距值。借助设备获取从物体上反射回来的激光，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，计算出激光扫描仪到物体扫描点之间的距离值S和反射强度I，a，和S用来计算激光打在被测物体上的扫描点的三维坐标。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在纵向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，由此得到点坐标的计算公式：
X=Ssinsina
Y=Ssincosa （1）
Z=Scos
2 地面三维激光扫描仪选用
变形监测要求测量仪器具有较高的数据采集精度，测量数据处理后要具有精确建模精度，部分高边坡还要求测量仪器具有高仰角测量功能。根据这些要求，选用了奥地利RIEGL公司推出的R1EGL VZ一1000激光扫描仪，其采用了脉冲法测距方式，拥有RIE GL独一无二的全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射高达300000点的纤细激光束，提供高达0.0005。的角分辨率，扫描距离可达1.4 kma除此以外，
基于R1GEL独特的多棱镜快速旋转扫描技术，能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。接口方面预留了C PS和数码相机接口，可在仪器上部连接CPS设备进行实时定位，连接数码相机进行影像同步采集。RIEGL VZ一1000激光扫描仪的基本性能参数见表1
表1 RIEGL VZ一1000激光扫描仪参数表
仪器
型号 扫描距离、
（目标反射
率为
800%）/m 扫描视场角（水平垂直）/° 测量精度
mm /m 测量速度
点/s 激光安全等级 外部
操作
控制 连接
方式
RIEGLVZ-1000 1.5-1400 360×100 5/100 300000 Class1 PC，PDA LAN/WLAN，无线
3 技术路线设计
图3变形监测基本流程图
变形监测的任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征；目的是要掌握变形体的实际状态，为判断其安全提供必要的信息。在实际作业时，根据变形监测的特点，其坐标系统可采用独立的变形监测坐标系统，也可与城市控制或国家坐标系统联测。基于三维激光扫描技术的变形监测基本流程如图3所示。
4 边坡监测
本次对某立交桥的部分边坡挡墙进行监测。前期采用常规手段对该挡墙进行监测，己布设了变形监测基准点和工作基点，经检校其满足变形监测精度要求，直接作为地面三维激光扫描仪进行扫描观测的控制点（如图4所示）。
图4 大桥立交边坡挡墙变形监测控制示意图
4.1数据采集
扫描数据外业采集，采用“测站点+后视点”的测量方式，在DQ1上架设扫描仪，在DQ2和DQ3上架设标靶，其中DQ3作为后视定向点，DQ2作为检校点。扫描测站点距监测挡墙20m左右，为保证较高的采样精度和外业作业效率，点云分辨率设置为100 m距离0.05 m，每次扫描时间在10 min左右，每站对监测目标扫描4次。在常规观测的同时，选取部分边坡挡墙，采用扫描仪进行了两期扫描。
4.2点云数据预处理
将扫描得到的点云数据导入随机软件Riscan Pro中，同时将控制点坐标信息录入到软件中，运用软件的Back-sighting orientation功能对点云数据进行坐标转换，得到在大地坐标系下的原始点云数据。由于原始点云数据存在许多杂点和多余数据，通过对其进行剔除处理，得到挡墙的点云数据。 将通过预处理的点云数据，以通用的文本格式输出，以便后期第三方软件调用。
4.3点云数据建模
点云数据建模采用Geomagic Studio软件，是由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为N URBS曲面，也可根据任意实物零部件自动生成准确的数字模型。
将预处理输出的文本格式点云数据调入GeomaGeomagic Studio软件中，通过对点云数据进行着色、离散点删除、去噪、抽稀、封装，得到三角网模型后，利用软件的“松弛”功能对三角网模型进一步优化，使三角网模型更加平滑，接近真实实体。
分别将两期数据按上述流程进行处理，把得到的三角网模型导入Geomagic Qualify软件进行变形分析。
4.4边坡变形分析
边坡分析软件采用美国Geomagic公司提供的Geomagic Qualify，这个软件可以准确、快速地检测到CAD三维数字参考模型与实际构造部件之间的尺寸误差，并自动地将这种比较结果的差异以直观、易懂的色谱图形式显示出来，可以进行形位误差的比较、评估等。
将经过处理得到的两期三角网模型调入Geomagic Qualify软件中，将第一期数据设置为参考数据，第一期数据设置为测试数据。运用“3 D比较”功能对模型数据进行比较。
通过3D比较分析，得到两个模型之间的最大偏差正负分别为+0.012 3 m和-0.014 7 m；平均偏差为0.000 2 m，正负分别为+0.0018m和-0.002 4 m；标准偏差为0.002 8 m。可以看出两期数据表面偏差分布不均匀，出现该情况的原因是边坡表面不平滑，导致建立的模型表面平滑度不高所致。根据其平均偏差在毫米级且值很小，说明两期数据之间没有发生明显变化。
在3D分析结果基础上运用软件提供2D比较功能，在边坡挡墙上分别截取一个横截面和纵截面，对两个截面上的两期数据进行比较分析。
通过2D比较得到的结果见表2a
表2 2D分析结果
截面 最大偏差/m 平均偏差/m 标准偏差/m
正 负 正 负
横截面 +0.0087 -0.0087 +0.0011 -0.0071 0.0035
纵截面 +0.0089 -0.0079 +0.0017 -0.0041 0.0027
从以上方法分析得出的结果可知，监测的边坡挡墙处于稳定状态，同时与常规方法得出的结果进行印证，结论一致。该方法能够满足边坡变形监测要求。
5 结束语
本文将地面三维扫描技术应用到了边坡变形监测中，引入用于逆向工程和三维检测的第三方软件进行变形分析。对具体的监测技术路线和数据处理方法进行了探讨，得出了一种新的边坡变形监测方法，为同类变形监测项目提供了参考。
参考文献：
[1] 杨俊志，尹建忠，吴星亮.地而激光扫描仪的测量原理及其检定[M].北京：测绘出版社，2012.
[2]建设综合勘察研究设计院.JGJ8 2007建筑变形测量规范[3].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3]张毅，闰利，杨红，等.地而二维激光扫描的系统误差模型研究[J].测绘通报，2012（1）：16一19.
摘要：三维激光扫描技术应用范围也越来越广，利用三维激光扫描技术采集数据具有效率高，数据量大，速度快等诸多优点，而且其数据本身具有较高的精度。本文就三维激光扫描技术在边坡变形监测的应用进行探讨。
关键词：变形监测 三维激光扫描
前言
20世纪90年代中期出现并发展起来的三维激光扫描技术，可以简单高效地获取变形体的三维数据，把以前以点代面的监测方法改变为全局性的整体监测方法，全面地掌握变形体的变形过程和变形规律，丰富变形测量的内涵。与传统的滑坡监测技术相比，三维激光扫描技术具有无需事先埋设监测设备、无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够反映坡体的总体变形趋势等特点，可以快速获取高密度、高精度的三维点云数据，经数据处理及建模后可以得到整个变形监测体的变化信息，对监测结果进行研究可掌握其变形发展规律，开展滑坡灾害预报研究。本文采用RIEGL VZ一1000脉冲式三维激光扫描系统，以监测某立交桥的边坡变形为实例，进行数据采集，引入第三方点云数据处理软件Geomagic Studio和Geomagic Qualify进行后期数据处理和变形分析，研究了边坡挡墙监测的技术路线以及监测数据处理方法。
1 地面三维激光扫描技术的基本原理
地面三维激光扫描系统主要由扫描仪、计算机、电源供应系统和其他附件设备组成。激光扫描仪本身包括激光测距系统和成像系统，同时也集成了CCD和仪器内部控制及校正系统等（如图1所示）。
图1固定式地面激光扫描系统示意图
激光扫描仪的测距方法是根据光学三角测量的原理，以激光作为光源，将其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，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，计算物体的深度信息（如图2所示）。
图2激光三角法原理图
激光扫描仪的发射器通过激光一极管发射近似红外波的安全激光束，对所测对象进行立体面状扫描。在扫描仪内，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平方向值a和大顶距值。借助设备获取从物体上反射回来的激光，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，计算出激光扫描仪到物体扫描点之间的距离值S和反射强度I，a，和S用来计算激光打在被测物体上的扫描点的三维坐标。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在纵向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，由此得到点坐标的计算公式：
X=Ssinsina
Y=Ssincosa （1）
Z=Scos
2 地面三维激光扫描仪选用
变形监测要求测量仪器具有较高的数据采集精度，测量数据处理后要具有精确建模精度，部分高边坡还要求测量仪器具有高仰角测量功能。根据这些要求，选用了奥地利RIEGL公司推出的R1EGL VZ一1000激光扫描仪，其采用了脉冲法测距方式，拥有RIE GL独一无二的全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射高达300000点的纤细激光束，提供高达0.0005。的角分辨率，扫描距离可达1.4 kma除此以外，
基于R1GEL独特的多棱镜快速旋转扫描技术，能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。接口方面预留了C PS和数码相机接口，可在仪器上部连接CPS设备进行实时定位，连接数码相机进行影像同步采集。RIEGL VZ一1000激光扫描仪的基本性能参数见表1
表1 RIEGL VZ一1000激光扫描仪参数表
仪器
型号 扫描距离、
（目标反射
率为
800%）/m 扫描视场角（水平垂直）/° 测量精度
mm /m 测量速度
点/s 激光安全等级 外部
操作
控制 连接
方式
RIEGLVZ-1000 1.5-1400 360×100 5/100 300000 Class1 PC，PDA LAN/WLAN，无线
3 技术路线设计
图3变形监测基本流程图
变形监测的任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征；目的是要掌握变形体的实际状态，为判断其安全提供必要的信息。在实际作业时，根据变形监测的特点，其坐标系统可采用独立的变形监测坐标系统，也可与城市控制或国家坐标系统联测。基于三维激光扫描技术的变形监测基本流程如图3所示。
4 边坡监测
本次对某立交桥的部分边坡挡墙进行监测。前期采用常规手段对该挡墙进行监测，己布设了变形监测基准点和工作基点，经检校其满足变形监测精度要求，直接作为地面三维激光扫描仪进行扫描观测的控制点（如图4所示）。
图4 大桥立交边坡挡墙变形监测控制示意图
4.1数据采集
扫描数据外业采集，采用“测站点+后视点”的测量方式，在DQ1上架设扫描仪，在DQ2和DQ3上架设标靶，其中DQ3作为后视定向点，DQ2作为检校点。扫描测站点距监测挡墙20m左右，为保证较高的采样精度和外业作业效率，点云分辨率设置为100 m距离0.05 m，每次扫描时间在10 min左右，每站对监测目标扫描4次。在常规观测的同时，选取部分边坡挡墙，采用扫描仪进行了两期扫描。
4.2点云数据预处理
将扫描得到的点云数据导入随机软件Riscan Pro中，同时将控制点坐标信息录入到软件中，运用软件的Back-sighting orientation功能对点云数据进行坐标转换，得到在大地坐标系下的原始点云数据。由于原始点云数据存在许多杂点和多余数据，通过对其进行剔除处理，得到挡墙的点云数据。 将通过预处理的点云数据，以通用的文本格式输出，以便后期第三方软件调用。
4.3点云数据建模
点云数据建模采用Geomagic Studio软件，是由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为N URBS曲面，也可根据任意实物零部件自动生成准确的数字模型。
将预处理输出的文本格式点云数据调入GeomaGeomagic Studio软件中，通过对点云数据进行着色、离散点删除、去噪、抽稀、封装，得到三角网模型后，利用软件的“松弛”功能对三角网模型进一步优化，使三角网模型更加平滑，接近真实实体。
分别将两期数据按上述流程进行处理，把得到的三角网模型导入Geomagic Qualify软件进行变形分析。
4.4边坡变形分析
边坡分析软件采用美国Geomagic公司提供的Geomagic Qualify，这个软件可以准确、快速地检测到CAD三维数字参考模型与实际构造部件之间的尺寸误差，并自动地将这种比较结果的差异以直观、易懂的色谱图形式显示出来，可以进行形位误差的比较、评估等。
将经过处理得到的两期三角网模型调入Geomagic Qualify软件中，将第一期数据设置为参考数据，第一期数据设置为测试数据。运用“3 D比较”功能对模型数据进行比较。
通过3D比较分析，得到两个模型之间的最大偏差正负分别为+0.012 3 m和-0.014 7 m；平均偏差为0.000 2 m，正负分别为+0.0018m和-0.002 4 m；标准偏差为0.002 8 m。可以看出两期数据表面偏差分布不均匀，出现该情况的原因是边坡表面不平滑，导致建立的模型表面平滑度不高所致。根据其平均偏差在毫米级且值很小，说明两期数据之间没有发生明显变化。
在3D分析结果基础上运用软件提供2D比较功能，在边坡挡墙上分别截取一个横截面和纵截面，对两个截面上的两期数据进行比较分析。
通过2D比较得到的结果见表2a
表2 2D分析结果
截面 最大偏差/m 平均偏差/m 标准偏差/m
正 负 正 负
横截面 +0.0087 -0.0087 +0.0011 -0.0071 0.0035
纵截面 +0.0089 -0.0079 +0.0017 -0.0041 0.0027
从以上方法分析得出的结果可知，监测的边坡挡墙处于稳定状态，同时与常规方法得出的结果进行印证，结论一致。该方法能够满足边坡变形监测要求。
5 结束语
本文将地面三维扫描技术应用到了边坡变形监测中，引入用于逆向工程和三维检测的第三方软件进行变形分析。对具体的监测技术路线和数据处理方法进行了探讨，得出了一种新的边坡变形监测方法，为同类变形监测项目提供了参考。
参考文献：
[1] 杨俊志，尹建忠，吴星亮.地而激光扫描仪的测量原理及其检定[M].北京：测绘出版社，2012.
[2]建设综合勘察研究设计院.JGJ8 2007建筑变形测量规范[3].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3]张毅，闰利，杨红，等.地而二维激光扫描的系统误差模型研究[J].测绘通报，2012（1）：16一19.