蔡小孟
中铁十七局集团第五工程有限公司，030000
摘要：针对高速公路高边坡容易发生失稳破坏且监测难度大等问题,提出采用三维激光扫描技术对高边坡工程进行非接触式变形监测分析。为解决多期边坡对象的大体量点云数据难以配准问题,设计了一套基于边坡的永久性三棱锥作为控制点,通过各期点云数据中三棱锥特征提取相应控制点,对多期点云数据进行坐标系换算,进而实现多期点云数据的坐标配准,并对配准后的多期点云数据进行分析,运用算法程序处理并提取边坡变形信息。
关键词：三维激光扫描;?点云处理;?边坡工程;?变形监测;
三维激光扫描技术在不同工程领域变形监测的应用表明,将其用于变形监测领域具有显著的可行性且突破了传统变形监测的局限性。基于此,本文拟采用三维激光扫描技术对高速公路的高边坡进行变形监测,利用三维激光扫描仪在不同时期对边坡进行数据采集,以永久性三棱锥作为标定物,利用其点云特征提取控制点将两期点云数据配准分析边坡位移变形。根据边坡特征基于点云数据提取边坡的特征点、特征线对边坡的整体变形、竖向位移沉降变形及边坡的水平位移变形进行监测分析。
1 研究内容
1.1 研究介绍
采用三维激光扫描技术结合点云算法程序对高速公路高边坡进行变形监测分析研究。研究项目依托于某高速公路养护工程,课题组选取高速公路实验段内主路与匝道交汇处的路堑高边坡为对象进行数据采集与研究工作。该边坡开挖长度170 m,坡顶最大高度35 m。分四级开挖,坡度在20°～30°,开挖区地势复杂、山体陡峭。采用三维激光扫描技术对高边坡进行完整的三维点云数据采集,快速、高效的建立三维点云数据模型,通过对边坡的多期点云数据对比,得到边坡的整体变形状况,同时依据三维扫描边坡点云数据,编制相应算法提取边坡混凝土格构梁特征点、特征线,提取边坡位移变形数据,保证数据的真实客观,很大程度上提高边坡的监测效率。
1.2 边坡监测方案布置
由于边坡变形是长期而又缓慢的变形过程,这就需要不同时间节点对边坡进行多期数据采集。为准确、高效地获取边坡对象三维监测数据,在第一次数据采集前期需要对边坡进行实地考察,并确定数据采集监测点以及永久性边坡控制点。在扫描前期,对确定的控制点进行永久性浇筑并在其附近做标志物,待浇筑控制点稳定后进行三维激光扫描数据采集工作。以首次扫描数据为基准数据后期扫描数据为对象进行边坡变形的内业数据处理。
2 边坡监测数据采集
2.1 测站及控制点布置
测站布置即扫描整个边坡对象所需要设置的监测站数量及扫描仪器架设位置,以及根据监测站位置确定扫描仪参数信息。针对扫描对象的大小、形状、范围及地理环境,结合周边环境确定测站位置和设站数量,为保证后期数据的完整性及减少拼接误差,应在保证数据的精度和完整性的前提下,尽量减少设站数量。
控制点作为多期点云数据配准的控制点,布置时必须严格要求,控制点的可靠度将直接影响检测结果的精度及准确性。控制点布置位置应为地基稳固的无变形区域,不易受环境因素影响。控制点的数量应在三个以上,以防止其中一个控制点由于不可抗力因素发生破坏,且任意三个控制点一组都要满足其能构成空间三角形。控制点的周围应设置明显标志,一是防止无关人员对其进行破坏,二是方便后期数据采集容易识别。
2.2 边坡点云数据采集
针对高速公路边坡所处地理状况,采用FARO-X330三维激光扫描仪对边坡对象进行全覆盖扫描。为得到完整清晰的边坡破面点云数据,研究组选取边坡另一侧的山坡坡顶作为监测点。由于监测点位置视野开阔,扫描仪仅需一站扫描就能够获取边坡的完整点云,因此不需要多站扫描,很大程度上减少了数据误差。此外,为使扫描仪能够准确、完整地捕获控制点,需要在扫描前期对控制点附近存在的植被、杂物及其他障碍进行清除。
为了排除由于不可抗力因素导致某个控制点位置发生改变,每次扫描需要捕获三个以上控制点以保证点云拼接配准精度。
3 边坡点云数据处理
3.1 点云数据的预处理
由于三维激光扫描仪所采集的数据为其扫描范围内所有对象的点云数据,包括植被、车辆等与边坡变形监测无关的点云信息。为此,在点云后期处理前期应对点云数据进行降噪处理,删除无关点数据。本次边坡数据采集中扫描仪测站位置开阔,仅需一站扫描就能获取完整边坡点云数据,因此,不存在点云数据的多站拼接问题。
3.2 两期边坡点云数据配准
三维激光扫描仪扫描数据是以各自扫描站点为原点的局部坐标系下的点云数据。对边坡进行变形分析前需要将多期点云数据统一到同一坐标系下。目前解决此类问题的主要方法多为标定物拼接和迭代最近点法(ICP算法)等。利用标定物拼接的方法较为快捷、简便,但由于扫描各站的视觉问题很难保证标定物的点云完全相同,根据标定物外形来计算的几何中心也就很难保证其完全一致,此方法误差源较多。ICP算法精度较高,但是其需要大量的运算迭代过程,相当耗时,若其初值选择不合适将导致收敛速度将非常慢,甚至出现发散现象。
3.3 边坡点云数据过滤
三维激光扫描仪能够获取扫描对象的大量点云数据,根据测站的不同获取不同对象的点云数据。由于扫描现场环境复杂,捕获的点云中包括树木、建筑物、植被等众多对象,而由于边坡坡面植被的季节性生长,若用边坡坡面对边坡进行变形分析必然会导致数据的失真。考虑到边坡上存在植被,而植被的生长使得两期边坡坡面点云数据产生一定程度的变化,且用于边坡支护的混凝土格构梁与边坡连为整体又不受植被等影响,以混凝土格构梁的位移变形来反映边坡状况。
4 边坡变形分析及变形量提取
4.1 边坡整体变形分析
边坡的失稳破坏是以渐变积累到突变失稳的破坏过程,且在其发生失稳破坏前期将会表现出各种破坏征兆,如变形位移超出控制指标、坡体产生裂缝、变形速率加快,这些破坏征兆均发生在边坡的局部。采用监测点监测、人工巡检等无法详细描述边坡局部发生破坏的空间特征。三维激光扫描技术的优势在于其能够获取监测对象的整体点云数据,能够实现对边坡的三维重建和空间分析。为了能够获取边坡的变形的空间特征及发展趋势,采用算法程序提取混凝土格构梁的特征点、特征线以及建立边坡支护混凝土格构梁的整体变形模型对边坡进行整体变形分析。
4.2 边坡位移变形量提取
边坡混凝土格构梁为矩形横截面,扫描仪能够获取其外侧面点云数据,研究中采用算法程序充分利用混凝土格构梁的正面与下侧面的空间平面交线为特征线,将格构梁分割为N小段,每段特征线的中点为特征点。特征点的提取应遵循以下原则:对于被树木、植被等遮挡的位置应避免使用该处点云数据,利用两侧未被遮挡对象特征点进行数学逻辑插值;保证两期数据特征点在边坡的相对位置相同。选取混凝格构横梁的正面与下侧面的交点作为特征点,以0.2 m步距提取特征点。
5 结论
利用三维激光扫描技术对边坡进行非接触测量,能够高效地获取边坡高密度点云数据,快速构建边坡工程的三维数字化信息模型。以多期边坡点云数据为对象对边坡的变形进行分析,结果表明:应用三维激光扫描技术对高速公路高边坡进行非接触变形监测,能够对边坡任意位置变形分析,所得到的边坡变形信息更为丰富且真实;突破了传统的单点测量方式,实现了传统技术难以达到的从点到面的整体变形分析,所获得的监测结果在很大程度上满足边坡监测的精度要求。可见,将三维激光扫描技术应用于边坡监测领域,不仅使得边坡变形监测更加精细化、智能化,而且很大程度上提高了边坡监测效率,具有一定可行性和实际应用价值。
参考文献
[1]董文文,朱鸿鹄,孙义杰,等.边坡变形监测技术现状及新进展[J].工程地质学报,2016,24(6):
[2]赵婷,王畅.边坡稳定性分析方法及工程应用研究进展[J].水利水电技术,2019,50(5):196-203.