孙嘉骏、宁德存、汤门生
中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南昆明 650051
摘要：随着测量技术快速发展，大数据、点云数据时空集成，目前三维激光扫描仪已经成为重要的测量工具，广泛应用于勘测设计、变形监测、医学、文物保护、土木工程、计算机视觉以及交通规划等重要领域。利用三维点云数据的优势进行变形监测，可以更高效、快捷地反映被测物体的整体形变信息，从而更好的研究变形速率和进行预警。
关键词：三维激光扫描；点云；变形分析；
0引言
滑坡是目前危害性大且频发的自然灾害，危害人民生命，破坏生产，给我国经济带来了严重损失。一般采用滑坡监测手段来预测滑坡发生的时段，提前做好预报工作，尽可能地减少和防止滑坡造成的损失，达到预防滑坡灾害目的[1]。传统滑坡监测主要是以大地测量为主的“点”式监测，如全站仪、GPS、经纬仪等。以上测量手段虽然测量精度较高，但是不容易快速获取滑坡表面完整信息，而且受滑坡地形、地表复杂程度影响，其监测工作量随着布设监测点数量增加而增大，存在着布设监测点困难、费钱费力、效率低下的特点[4]。
1三维激光扫描技术
三维激光扫描仪是内含扫描棱镜的快速激光测距仪，主要由激光扫描仪和系统软件组成。其工作目标就是快速方便准确地获取近距离静态物体的空间三维模型。以便对模型进行进一步的分析和数据处理，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。
2 三维激光扫描测量优点
三维激光扫描测量采用非接触测量方式获取目标表面大量三维数据，由传统的点式测量扩展到面式测量，具有以下特点[3]：
（1）快速性：通过高速激光扫描测量得到目标物体表面点云信息。扫描仪每秒可以采集到上万点甚至几十万点云数据；
（2）非接触目标性：对目标进行测量时不需要扫描反射棱镜，非接触获取物体表面真实三维数据；
（3）高密度、高精度：可根据需求设置分辨率，扫描获取点云精度在毫米级，短距离扫描的精度甚至能达到亚毫米级；
（4）可视化性：扫描仪获取的三维位置信息和属性信息可人机交互实时分析、处理、建模显示。
3三维激光扫描测量在滑坡体监测中应用实例
本示例对某高海拔区域滑坡体变形监测中采用三维激光扫描测量技术，在对滑坡体A、B范围大、高差大、现场条件恶劣的情况下，对观测技术方案进行优化，保证数据采集的精度能够满足要求，滑坡体监测工作基点稳定：
3.1 多期点云数据采集
采用I-Site 8810三维激光扫描仪对滑坡体区域A、B进行点云数据采集，根据各观测站点情况，对主要观测泥石流沟坍塌面，次要观测泥石流沟堆积体进行扫描。从而获取山体各部位的变形情况，及时掌握各泥石流沟滑塌方量，点云数据采集时措施如下：
（1）对泥石流沟通视条件好，各站应尽可能采集多的数据，以减少站间点云的拼接误差；
（2）周围应便于安装设备及操作，视场内障碍物高度角不宜超过20度；
（3）附近不应有加强多路径效应的地物或设施；
（4）地基面稳定，易于点位保存和长期使用；
（5）高差不得与泥石流沟差距过大，保证测站与沟面间大气环境稳定；
（6）保证点云精度及密度，各工作基点与泥石流沟面最远距离不大于1km。
3.2 点云数据处理
点云数据的处理采用I-Site Studio 4.2软件对点云数据进行配准、拼接、过滤、分类等工作，首先进行数据配准拼接，在获取各测站独立点云数据的基础上，利用控制测量成果得到的数据，将测得的点云数据赋予地方工程坐标值。其次对点云数据进行过率，在点云扫描的过程中，由于空气中存在各种尘埃等污染物，扫描得到的点云数据中，存在各类噪点、飞点等，和实际不相符，无法反映扫描对象的实际情况，因此，需要将其过滤，删除，保证点云数据的正确性。最后对点云数据分类，如遮挡、植被、岩体等构件分类表。
3.3 山体建模
山体模型是为了实现分析成果的三维可视化而建立的，在建立的过程中，需要对所有扫描数据中，代表山体地形特征的所有点云数据进行提取，根据提取得到的数据进行建模，从而得到完整的山体表面模型。
图1 滑坡体区域A、B山体建模
3.4 变形分析
利用各期测得滑坡体表面点云数据，构建各期滑坡体表面模型，根据各期间模型叠加计算及相关剖面的生成，可对各泥石流滑坡体的形变情况进行分析。整体模型将同期数据的不同测站的点云进行整合、按照分析区域提取后建立模型，每个泥石流构体得到三期表面模型分析；剖面分析是根据每个工作基点，不同时段获取的多期单站模型，在不同位置设置剖面进行剖面分析。
4 精度评定
三维激光扫描点云数据建模精度评定内容主要包括：测距精度、内符合精度、外符合精度三个方面，不同距离情况下，三维激光扫描仪扫描得到点云数据的绝对精度；同一测站，连续时刻测量同一目标时，两次获取数据间的差异，该精度决定不同期数间和相同测站获取数据的精度；不同测站，同一观测期内测量相同目标时，两站数据间的相互差异，验证同期观测数据成果间，各测站数据拼接的正确性。
通过对多期点云数据的精度比较评定，扫测点云精度评定如下：
扫描距在100m-300m范围，测点精度：±20.56mm —±61.67mm；
扫描距在300m-600m范围，测点精度：±±61.67mm—±123.34mm；
扫描距在600m-1000m范围，测点精度：±123.34mm—±205.56mm；
5 结束语
本文通过对三维激光扫描测量在滑坡体变形监测中的应用，对比传统并行监测技术，验证了三维激光扫描测量的精度、时效、可视化等优势，但在海量点云数据处理过程中，对点云数据的拼接、滤波、分类等算法方面仍有待优化，同时对观测多期海量点云数据一体化、可视化的分析、存储也需不断改进。整体上，随着测量技术及仪器设备的不断发展，三维激光扫描测量一体化技术将在各个领域有广阔的应用前景。
参考文献
[1]张国龙，王同合，纪思源.三维激光扫描测量技术在滑坡整体监测中的应用. 工程勘察2017-7.
[2]姚艳丽,蒋胜平,王红平. 基于地面三维激光扫描技术的滑坡模型监测与预测[J].测绘科学. 2014(11)
[3]王庆国,赵海,李健平.地面激光点云与航空影像相结合的滑坡监测[J].测绘通报.2019(04)