摘 要

边坡地质灾害在我国时常发生，如何利用三维激光扫描技术对边坡变形进行有效的监测是本文研究的内容。本文从边坡变形监测的相关背景及研究现状出发探讨了三维激光扫描技术的基本原理及误差来源，通过设计数据监测方案，使用三维激光扫描仪实行对边坡实体的数据获取，完成点云数据预处理、配准及误差模型的构建，用实例对比验证最小二乘拟合和三角网两种数据分析方法的差异，得出数据结果，实现边坡变形监测和灾害预报的目的。

关键词：三维激光扫描；误差；边坡监测；变形分析

Abstract

Slope geological disasters occur frequently in China, how to use three-dimensional laser scanning technology to monitor slope deformation effectively is the content of this paper. In this paper, the basic principles and error sources of 3D laser scanning technology are discussed basing on the relevant background and research status of slope deformation monitoring. Through the designing of data monitoring program, the data acquisition of the slope entity is implemented by using three-dimensional laser scanner, then the preprocessing, registration and error model construction of point cloud data is completed. The difference between the two methods of least squares plane and triangulation are verified by case comparison, and the data result is obtained, the purpose of slope deformation monitoring and disaster prediction is realized.

Key Words：Three - dimensional laser scanning; error; slope monitoring; deformation analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.1 国内研究现状 4

1.4 研究内容及技术路线 4

1.4.1 研究内容 4

1.4.2 技术路线 5

1.5 研究目的 5

第2章 三维激光扫描技术 7

2.1 三维激光扫描系统分类 7

2.2 地面三维激光扫描原理 9

2.3 三维激光扫描仪误差源分析 11

2.4 三维激光扫描仪误差模型 11

2.5 实验仪器及数据处理系统简介 13

2.5.1 RIEGL VZ-400型三维激光扫描仪 13

2.5.2 相关数据处理软件介绍 13

第3章 边坡变形监测与分析 15

3.1 实验边坡概况 15

3.2 数据采集作业流程 15

3.2.1 设置扫描站点 16

3.2.2 布设控制点 17

3.2.3 数据采集 17

3.3 边坡点云数据处理 17

3.3.1 数据预处理 18

3.3.2 数据配准 18

3.4 实验分析 19

第4章 结论 27

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景

边坡是指以确保路基稳定，在一定坡度的路基两侧的坡面。边坡按原因分类：可分为人造坡和自然坡。边坡是道路工程的重要组成部分，与道路运行的安全使用直接相关。

应我国现代化经济建设的需要，各类工程建设活动随处可见，公路、铁路、高架桥、高铁、煤矿开采、隧道、地铁、水利水电等工程建设开发项目不断增加，随之出现了很多边坡地质。如在国家强有力的政策和行业企业的不懈努力下，我国高速公路工程建设在国家政策大力支持下迅速发展，逐年递增，每年保持几千公里的递增速度，2016年我国高速公路建设就新增6000多公里，总里程突破13万公里，四通八达，覆盖百分之九十以上的二十万人口城市。但同时在这伟大成就的背后是一系列高速公路边坡问题的出现；西部大开发战略的实施，一系列工程的修建，岩石边坡工程随之大幅出现，如三峡大坝工程高边坡；矿产资源的大量开采形成的露天边坡、地面沉降、滑坡等。我国地质的主要特点是山区占比为三分之二，山高谷深，地形崎岖，地质构造复杂，上层岩性较软，经重力和水力作用，滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害时常发生。据媒体统计，我国的山体滑坡和泥石流灾害年均接近上万，其中没有特、重大灾难，平均每年有近800人死亡或失踪，直接经济损失超过40亿元，据国土资源部地质灾害管理局（地质灾害应急管理办公室）对2015年地质灾害统计资料显示，全国共发生地质灾害8224次，造成229人死亡，58人失踪，138人 受伤，直接经济损失24.9亿元。而2016年我国发生的多起滑坡、泥石流灾害事故造成的伤亡至今仍令人痛心——2016年3月18日16时4分，云南西双版纳勐腊县，纳龙布云南广垦橡胶有限公司勐远制胶厂在挡土墙施工过程中，发生山体滑坡事故，造成6人死亡，1人受伤。5月8日5时许，福建三明市泰宁县开善乡发生山体滑坡，导致池潭水电站1号办公楼被冲走，一个项目现场住房棚被埋葬。截至13时，已造成7人受伤，受伤人员被送往医院接受治疗，34人失踪；6月20日14时，安徽宣城市绩溪县，安徽绩溪抽水蓄能有限公司下水库土木工程及金属安装施工现场，在进行斜坡施工中发生倒塌事故，造成3人死亡的后果等。边坡岩土体滑坡、泥石流等破坏性灾害分布广泛，发生频繁，给人民群众生命财产造成巨大损失，安全问题越来越受到重视。边坡稳定性问题地质条件复杂，如何进行有效的监测和预警，尽可能减少其形成的损失，一直是国内外学者和国家关注的焦点问题^[1-3]。

在边坡灾害预防中边坡表面变化监测非常具有代表性，是监测部门最主要的监测对象，因此对关乎其变化测量的相关技术的研究就显得尤为重要。变形监测，指利用测量与专用仪器和方法对变形体的变形现象进行监视观测的工作，是人们通过变形现象获得科学认识、检验理论和假设的必要手段^[4]。20世纪80年代初，传统的地质变形监测方法主要靠近距离的地面测量手段，如经纬仪，水准仪，测距仪或全站仪等测量技术，这些方法具有可以有效地对监测物体进行整体监测，适用于不同监测精度要求、不同形式的监测对象和不同的监测环境，最后的变形结果是绝对的等优点，对变形体的安全性和安全监控方面发挥了巨大作用。然而，这些传统技术完全依赖监测员现场把持进行监测，耗时多，投入大量人员，监测现场布设麻烦，劳心劳力，且工作环境的优劣影响到测量结果精度，自动化程度及工作效率低。目前在变形监测领域广泛应用的是GPS和测量机器人^[5]。GPS的应用实现了传统测量技术的创新，也是我国科学技术生产水平进步的一大成就^[6]。GPS具有以下方面的优势：①选点灵活，无需通视；②精度高，耗费低；③操作简便，效益增加；④全天候作业，全球覆盖；⑤测量操作过程全自动化。测量机器人在建筑物施工中的地质滑坡与变形情况的自动化、全方位变形监测发挥了巨大作用，而且精度更高、速度更快。但这些方法只是测量相关点，主要是离散单点监测，测点数量小，及时性差。对于斜坡的完整属性需要收集大量的映射点和没有设置监测点的区域的变形分析都难以实现，不能完全反映监测对象的变形，表现出一定的局限性。在20世纪90年代中期，有一种高科技的三维激光扫描测量技术，与前面所述的传统测量方法及GPS与测量机器人相比，三维激光扫描突破了传统的单点测量方法，已被誉为“继GPS技术之后，测绘领域又一次技术革命”。三维激光扫描技术的高精度、快速实时和非接触式获取高密度点云数据的技术优势，能有效提取点，线，面和体的基本映射数据，实现完整的“真实拷贝”。三维激光扫描技术的快速发展为解决变形监测问题提出了新的思路和新的方法，已经形成了坡体的快速数字化，全面、快速地收集边坡实体的三维信息。

1.2 研究意义

凭借这项技术的优势，对整个坡体的变化状况进行精确测量，实现海量数据的快速获取、存储和快速处理，根据数据分析结果，了解坡体的总体变形动向，既可以对可能发生地质灾害的边坡的地质结构有整体的了解及保证安全检测员的安全作业，又能提高测量工作效率，降低测量成本和时间，实现灾害的及时预警工作，将三维激光扫描技术引用到边坡的检测及边坡灾害监测预警体系中，无疑是非常有意义的。

1.3 国内外研究现状

目前三维激光扫描已广泛应用于工程测量、地形测量、文物保护、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、工业制造、三维地形图的测量勘察、变形测量等各大监测领域^[7-12]，得到各个行业部门的认可。

1.3.1 国外研究现状

三维激光扫描技术在国外出现比较早，在六十年代，美国、日本、德国、加拿大等发达国家就已经发现三维激光扫描技术在变形监测方面的技术优势及广泛的应用前景，60年代末就开始投入大量资金进行这方面的研究，并取得了不错的研究成果。如变形监测方面：新加坡Rongjun Qin和Armin Gruen结合三维激光扫描技术与和多媒体信息服务（MMS）技术检测街道基础设施的变化，对数字城市的建设具有重要意义^[13]；法国JulienTravelletti等人为研究一种可测量三维位移区域的方法，使用远程地面激光扫描仪连续三年对Super-Sauze滑坡体进行变形监测，推断出三维形变及位移模式，探测到所测滑坡的不同变形模式，得出预期的实验结果^[14]。测量和安全评估：Arianna Pesci ,Giordano Teza等人为解决地面激光扫描在观测建筑物存在数据采集约束与测量误差、量化现实的噪声水平提出一种数据分析策略用于快速估算由地震引起的建筑物变形的方法，并选择三座被地震损坏的建筑物作为快速检测的目标，三项实例研究表明，该方法可以快速方便地使用^[15]。文物保护及三维可视化：约旦Sharaf Al-kheder等人通过联合使用三维激光扫描技术、数字摄影测量及GIS技术对约旦沙漠宫殿的三维可视化档案建设进行研究，完整介绍了对所选宫殿所进行的建设过程，包括激光数据和图像采集、点云拼接、三维建模以及宫殿外立面的多图纹理贴图，融合了多项技术，对遗产管理和城市规划，以及宫殿的监测、评估、修复及可视化参观有着重要意义^[16]。三维建模和可视化：俄罗斯Andrey V.Leonov等人2011年开始使用RIEGLVZ-400三维激光扫描仪对俄罗斯莫斯科城市标志性建筑物Shukhov无线电塔进行激光扫描，利用扫描点云和现存绘图资料创建了多段线3D模型，旨在进行精确、逼真的可视化展示，完成了对无线电视塔的数字保存^[17]。数字化信息提取：韩国Jong-Suk Yoon等人使用新提出的过滤算法通过建立一个基于隧道激光扫描系统的试验模型，从激光数据中提取隧道混凝土衬砌特征信息，达到隧道自动化监测的目的，虽然扫描结果存在一定的误差，但升级后的激光扫描系统和增加点云密度解决了这一问题^[18]。三维激光扫描技术在国外也被广泛应用于逆向工程，工业生产，医学，数字化城市，军事侦察等领域^[19]，提出了许多新的测量原理、模型构建、误差处理、提高精度等方法，而且这种先进的技术已被用于地面系统的观测，并迅速获得具体目标数据模型，他们的研究重点主要为两个方面：⑴三维激光扫描仪与测量对象之间的距离越来越远，主要用于对较大对象的监测；⑵扫描距离越来越近，用于对小型对象的测量。目前国外三维扫描设备有较多的产品，基本趋于成熟并已形成了颇具规模的产业，如加拿大Optech公司生产的ATLM和SHOALS、美国Laica公司的ALS50、瑞典的TopoEyeAB、德国IGI公司的LiteMapper、法国TopoSys公司的FalconⅡ等，其产品在精度、速度、易操作性等方面都达到了较高的水平，欧美最准确的台式扫描仪扫描精度可以达到十几微米，点云密度甚至超过人眼分辨率。

1.3.1 国内研究现状

与国外已经基本成熟的研究情况相比，我国3D激光扫描技术的发展相对落后，3D激光扫描系统的应用主要集中在一些大学和科研单位，国内市场上的三维激光扫描仪器并不多，价格昂贵，国内研究多处在理论研究阶段，应用于实际项目的三维激光技术相对较小，但近年来我国也有不少研究学者为推动三维激光扫描技术在变形监测方面的应用，缩小与发达国家之间的差距，展开了大量研究，在国内掀起一股热潮，取得了不错的成绩，如2006年张国辉强调地面三维激光扫描技术在滑坡监测应用中的重要性，将地面三维激光扫描技术在滑坡监测领域的应用进行分类讨论及总结关键问题，并就其未来发展进行展望，认为TLS技术为滑坡监测开辟了新的途径^[20]；2009年刘文龙、赵小平从三维激光扫描技术的基本原理入手研究数据处理方法，实现DEM模型的提取，为滑坡监测预警作出有益的尝试^[21]；2009年向娟，李钢等针对三维激光扫描仪的精度评定方法存在的不足，提出外部符合精度评价方法和内部符合精度评价方法，并通过Trimble GX200三位激光扫描仪进行实验验证，得到了不错的评价结果^[22]； 2012年陈凯、杨小聪等针对传统测量技术存在的缺点研制了一套测量精度达到2cm的高精度采空区三维激光扫描监测系统，实现对采空区的全面扫描及远程控制，极大地提高采空区的监测效果^[23]；2014年王举、张成才提出基于三维激光扫描技术的土石坝变形监测方法，将不同期的点云数据在同一位置处的剖面数据进行对比分析，监测大坝在水平与垂直方向的变形和位移，以郑州市某水库为对象进行试验，得到满意的效果^[24]等。

总结国外经验，我国的三维激光扫描仪开发研究还有很多地方可以借鉴国外的研究。