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知识科普 | 三维激光扫描技术在边坡移动监测中的应用

2018-9-21 18:09
来自: 勘测联合网 收藏 分享 邀请

三维激光扫描技术以其准确、动态、实时、高精度、免接触以及可获得空间三维数据等技术特点和优势,成为测绘最新的一项应用技术。本文主要介绍了三维激光扫描技术在滑坡(边坡移动)的监测和治理中的应用。并对其扫描精 ...


[摘 要] 三维激光扫描技术以其准确、动态、实时、高精度、免接触以及可获得空间三维数据等技术特点和优势,成为测绘最新的一项应用技术[1]。本文主要介绍了三维激光扫描技术在滑坡(边坡移动)的监测和治理中的应用。并对其扫描精度进行分析,得出三维激光扫描技术可以代替传统测量技术应用与滑坡监测中,并对其要点进行了总结。

0 引言

滑坡地质灾害的预测与治理一直以来都是一项十分重要但又非常艰难的工程,运用传统的监测技术存在许多危险性,而且也极难实现监测的目的。针对传统监测技术难题,本文提出了运用三维激光扫描技术对滑坡进行监测和治理[2]。

滑坡治理与预报的关键是对滑坡进行长期的监测工作。滑坡的监测主要包括滑坡体地表滑移痕迹的目视调查、滑坡体地表位移变形监测、滑坡体内部岩层变形监测、滑坡体深层应力应变监测和外部环境监测(如降雨量、山体内部走向、地下水位监测)。其中地表位移变形监测不仅是进行滑坡监测的重中之重,而且是决定滑坡体稳定与否的根本依据。它的具体做法是在不同时期对山体进行多次观测[3]。

三维激光扫描仪采用非接触测量的方式,利用激光扫描获得的数据真实可靠,最直接地反映了客观事物实时的、变化的、真实的形态特性,所以人们将激光扫描技术作为快速获取空间数据的一种有效的手段。

1 边坡概况

本工程是对发生滑坡的砚台山山体进行监测,砚台山北坡于2016年9月发生了山体滑坡坍塌。

山体北面是实验中学,南面是住户人家,东面是公路,西面是公园,因此对山体的治理迫在眉睫,由于我们根本无法在其发生之前准确的预报该滑坡何时何地且以多大的强度发生,灾害发生之后必须进行长期重复性的监测,才能够帮助治理并预防灾害。滑坡监测是预防灾害的重要手段,监测的目的是为了避免灾害再次发生。

图1 滑坡前

图2 滑坡后

2 观测站布设概况

2.1 点位布置
根据监测区特点以及周边状况,在山体北侧,监测影响范围外视野开阔通视条件良好的稳定区域布设一组控制点,编号CP1、CP2、CP3、CP4,将连接靶球的螺丝钉用水泥固定在地面上。为了方便多期数据进行比较,选择一个稳定的测站点,要求测站点与山体之间没有太多障碍物,同时保证仪器与山体的距离满足扫描仪的扫描档位要求,便于进行拼接。

2.2 观测及注意事项

(1)每次观测前分别在控制点上安置靶球,将球旋紧,保证靶球的位置是固定的。

(2)尽量将扫描仪屏幕朝向一个确定的方向,便于每项扫描结束都可以处在一个合适的查看位置。

(3)仪器对中整平与传统测量仪器类似,但又有所不同,对中整平后,插上电池与存储设备,开机,等待。在进行扫描前,需要先精确居中内置电子水准泡,在操作显示器上显示误差,要求误差在±10″。

(4)扫描,根据实际工作需要选择合适的档位,此次山体监测选择的档位分别依次使用Level1、Level 3和Extend Level三个档位进行扫描。根据实际情况我们需要非常精确的监测,因此在每一次全景扫完之后,我们要对球的位置进行扫描。为了提高拟合精度以及拼接精度,再选择滑坡体进行多次的扫描,得到点云数据。

3 作业依据及仪器设备

3.1 作业依据
由于三维激光扫描技术是新兴的一项技术,因此临时还没有成熟的技术标准,故主要参考以下几类测量规范:
(1)《工程测量规范》(GB50026-2007)

(2)《建筑变形测量规范》(JCJ/T8-2007)

(3)《国家一、二等水准测量规范》(GB12897-2006)

3.2 监测的仪器设备
仪器设备及性能参数:主要使用三维激光扫描仪,采用的是TrimbleTX8智能型三维激光扫描仪。仪器性能参数如表1所示。

表1 性能参数


4 数据处理与数据分析

4.1 处理软件
处理软件为TX8配套使用的RealWorks软件进行处理,天宝TX8激光扫描仪所具有的获取精确高密度三维数据的能力,结合天宝Real-Works软件先进的处理、分析和数据管理工具,可以为空间地理信息专业人员提供完整的扫描
解决方案。

4.2 数据处理
首先将数据在RealWorks内打开,建立空间扫描站,选择配准,目标分析,进行目标提取,分别在扫描的场景中提取出CP1、CP2、CP3、CP4。然后将这四个球拟合出来,会有一个拟合误差,要求不超过1mm,根据球状物体位置,可以直接创建几何体,但是为了保证拟合精度,我们需要剔除噪声点云,拟合球的表面,分别进行创建[3]。

然后选择配准,进行基于目标的配准。对点云拼接,得到拼接精度,拼接及配准后生成的报告[4]。拟合与配准误差如表2所示。

表2 扫描靶球拟合及配准误差


4.3 数据分析
以上完成了一次扫描数据的配准,得到项目点云。同理可以得到新的扫描数据,并配准。接下来就要进行分期比对,对扫描之后处理得到的结果进行分析。比对之前需要解决的就是怎么将两次的点云放在一起[5],前提是解决坐标基准问题。我们选择其中一期的点云,并将大地基准统一,然后将两期的点云在一个界面打开,这样得到两期点云的合并项目点云,最后分别设置点云颜色,进行比对[6]。

第一期与第二期合并项目办公室测量下的两期目标点云,在办公室测量模式下可以选择平面切割,切割点云如图3所示。

图3 目标点云切割图

三维检测图如图4所示。

图4 三维检测图

由平面切割图可以看出红绿着色的点云相间,并无明显的分层现象,通过办公室测量下的工具进行点云测距无明显的变化,说明两期数据变化很小,也就是说山体未发生明显的偏移[7]。

由三维检测图可以看出变化在1mm 左右,也就是并无明显偏移,出现这种现象的原因是因为仪器本身存在一定误差,另外观测过程中受一定的天气影响,也会出现一些偏差,因此在误差允许范围内可认为数据可靠。因此,结果表明山体并未发生明显偏移。

同上,对第一期与最后一期合并项目办公室测量下的两期目标点云,在办公室测量下的平面切割,最后得到三维检测图如图5所示。

图5 三维检测图

经过平面切割可以看出,除了治理的部分之外,其余地方红绿着色的目标点云相间,并无明显的分层现象。通过办公室测量下的工具进行点云测距发现并无明显变化,初步说明两期结果变化不大[8]。

三维检测图是第一期与第十二期的比对,由图可以看出,大部分变化在1-3mm之间,极少数部分变化较大,主要集中在爆破治理边缘以及山体下面,这是由松散的小石块不稳定造成的,而山下则是由于,后期处理滑坡堆积物造成的,并非山体发生了变化。

5 结束语

本文阐述了对发生边坡移动的山体变形进行监测,以及治理过程中山体的情况分析。同时对三维扫描的精度进行了相应的分析。阐述了对滑坡监测通过传统方法与三维激光扫描技术进行比较和分析,验证三维激光扫描技术在边坡移动监测中的可行性与优越性[9]。主要是应用三维激光扫描技术对滑坡体进行定期的实时监测,并配合使用RealWorks软件对扫描得到的数据进行点云处理,从而得到各期点云的数据,通过面与面的比较来进行分析滑坡体的变形情况。通过扫描精度分析发现三维激光扫描技术满足滑坡监测的要求,通过与传统变形测量方法相比,三维激光扫描技术有两大明显优点:

(1)传统监测需要在变形体上布置控制点,很不安全,不稳定,而三维激光扫描技术则不需要在山体上布置控制点,即非接触测量;

(2)传统的变形监测是基于点的变形监测,而三维激光扫描技术是利用点、面结合的方法对滑坡体进行检测,确定滑坡区域,为治理灾害以及预防灾害提供依据[10]。

END



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