CN102607447A - 一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是以地面型三维激光扫描仪为测量仪器，通过仪器固定技术，实现快速监测变形，测量形变值可控制在仪器精度下的一种方法。本发明通过以下步骤实现：（1）将三维激光扫描仪固定在观测墩上，设置不动点参照目标，在观测对象上贴置反射体；（2）利用三维激光扫描仪进行观测对象的快速扫描；（3）搜索参照目标反射中心；（4）根据参照目标反射中心配准不同时间序列下的扫描文件；（5）寻找配准后观测对象反射体中心坐标；（6）比较不同时间序列下该坐标的变化情况。本发明适用于对变形阶段滑坡、开挖边坡、各种变形体的形变快速监测。
Description
技术领域
本发明涉及测绘、遥感监测领域。
背景技术
随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，地面型三维激光扫描仪的应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技、数字城市建设、工程变形监测等，特别在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。目前，对三维激光扫描仪的应用还主要集中在地形测绘、构建三维模型、文物保护和三维场景再现等方面，在变形监测领域的应用还处于探索阶段。近年来，国外学者做了一些三维激光扫描仪用于边坡变形监测的研究，如2003年在奥地利对1000m以外的阿尔卑斯山冰川变化进行的监测；2004年在美国加利福尼亚海岸进行的边坡监测；2005年日本地震中，专家运用三维激光扫描仪系统参与灾害评估。2009年，A. Abell′an（University of Barcelona, Spain）等人将地面型三维激光扫描仪应用于西班牙Castellfollit de la Roca某岩体崩塌的监测中，采用最近邻域平均值（Nearest Neighbors averaging）的分析方法得到了岩体破坏前发生的毫米级程度的可靠形变值，成功预测了岩体的崩塌。2010年，三峡库区地质灾害重点实验室与武汉大学测绘学院在室内滑坡模型试验的基础上，对三峡库区某滑坡的其中一块进行了两期数据的扫描比较，采用重心法处理方式得到了理想的测量结果。研究结果表明了利用地面三维激光扫描技术获取滑坡表面的变形是可行的，能达到很好的精度，可以满足临滑预报要求。虽然地面型三维激光扫描仪在监测领域的应用逐步发展起来，但目前国内还没有出现激光扫描监测技术在实际工程应用中的方法与技术，系统可靠的监测数据分析方法还未形成，通过现场采集数据、室内分析处理方式的监测方法无法实现快速反馈监测结果的目的。基于地面型三维激光扫描仪快速、高效进行形变测量的方法还未形成。
发明内容
（一）要解决的技术问题。
针对地面型三维激光扫描仪不易控制的特点，本发明的目的主要在于：提供了一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，对于变形阶段滑坡、开挖边坡、变形体的形变进行快速监测，达到近实时、测量形变值精度与仪器精度一致的监测效果。
（二）技术方案。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下。
利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法及系统，包括以下内容。
（1）首先设置合适的固定站点、不动点目标，将地面型三维激光扫描固定在桩表盘上。用一头螺纹螺杆固定仪器，刻度标记，安置扫描仪对准刻度，扫描仪固定在桩上时用一个一头螺纹的螺栓，无螺纹一头扣进表盘里，有螺纹一头扣在仪器下方，仪器底盘与桩表盘接合。确定固定站点后，在仪器摆放固定站点位置的四周30m内，贴3-5个直径5cm的圆形反射体，用于校正，且确保这些反射体在整个监测过程中固定不动。
（2）激光扫描仪采集地形数据：粗扫描的目的是为了更容易、更快速的找到追踪目标位置以及校正反射体；将激光扫描仪固定在定点墩上（初次扫描时在定点墩上做相应的对准记号，以后按记号摆置仪器），连接电脑、电源、相机等设备。开始采集数据，采集的数据包括4种：全范围粗扫数据、监测区域精扫数据、追踪目标精扫数据、校正反射体精扫数据。若需要在监测对象上设置追踪目标点，则需要在该对象上固定适当大小的放射板。正方形反射板边长大小的计算公式是：a=1.25×dr。其中，dr为粗扫描精度。在扫描过程中，全范围粗扫精度的选择主要考虑耗时和追踪目标体是否能被识别；监测区域精扫精度与误差控制要求有关；追踪目标体精扫精度：df=0.02×R。其中，粗扫精度df单位为毫米（mm），追踪目标体到仪器距离R是单位为米（m）。校正反射片精扫精度取1mm。
（3）确定参照目标反射中心：由参照目标反射体点云强度高，根据点云分布的几何特征确定参照目标反射中心。
（4）根据参照目标反射中心配准不同时间序列下的扫描文件；数据配准的原理是以第一期数据的仪器自身坐标系作为工程坐标系，以后所有期的数据都是以第一次数据为基准进行配准，融入该工程坐标系。数据配准的方法实质是以校正反射片为公共点的数据拼接。
（5）寻找配准后观测对象反射体中心坐标，参照步骤（3）。
（6）比较不同时间序列下该坐标的变化情况。读取所需数据，分析目标体位移情况。
（三）有益效果。
1、本发明提出了一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，适用于中小型滑坡及工程边坡、各种变形体的实时变形监测，监测精度可以达到与仪器精度相一致的效果。
2、本发明提出了一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法及系统，实现了数据现场处理，结果立即反馈的目标，方便了监测工作的开展与后续应对措施的及早提出。对于一般观测对象，可在较短时间内反馈监测结果（30分钟以内），为用户节约了等待结果的时间。
附图说明
图1为利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法示意图。
图2为利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法流程图。
具体实施方式
为使面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，该方法包括。
（1）首先设置合适的固定站点、不动点目标，将地面型三维激光扫描固定在桩表盘上。用一头螺纹螺杆固定仪器，刻度标记，安置扫描仪对准刻度，扫描仪固定在桩上时用一个一头螺纹的螺栓，无螺纹一头扣进表盘里，有螺纹一头扣在仪器下方，仪器底盘与桩表盘接合。确定固定站点后，在仪器摆放固定站点位置的四周30m内，贴3-5个直径5cm的圆形反射体，用于校正，且确保这些反射体在整个监测过程中固定不动。
（2）激光扫描仪采集地形数据：粗扫描的目的是为了更容易、更快速的找到追踪目标位置以及校正反射体；将激光扫描仪固定在定点墩上（初次扫描时在定点墩上做相应的对准记号，以后按记号摆置仪器），连接电脑、电源、相机等设备。开始采集数据，采集的数据包括4种：全范围粗扫数据、监测区域精扫数据、追踪目标精扫数据、校正反射体精扫数据。若需要在监测对象上设置追踪目标点，则需要在该对象上固定适当大小的放射板。正方形反射板边长大小的计算公式是：a=1.25×dr。其中，dr为粗扫描精度。在扫描过程中，全范围粗扫精度的选择主要考虑耗时和追踪目标体是否能被识别；监测区域精扫精度与误差控制要求有关；追踪目标体精扫精度：df=0.02×R。其中，粗扫精度df单位为毫米（mm），追踪目标体到仪器距离R是单位为米（m）。校正反射片精扫精度取1mm。
（3）确定参照目标反射中心：由参照目标反射体点云强度高，根据点云分布的几何特征确定参照目标反射中心。
（4）根据参照目标反射中心配准不同时间序列下的扫描文件；数据配准的原理是以第一期数据的仪器自身坐标系作为工程坐标系，以后所有期的数据都是以第一次数据为基准进行配准，融入该工程坐标系。数据配准的方法实质是以校正反射片为公共点的数据拼接。
（5）寻找配准后观测对象反射体中心坐标，参照步骤（3）。
（6）比较不同时间序列下该坐标的变化情况。读取所需数据，分析目标体位移情况。
本发明适用于对变形阶段滑坡、开挖边坡、变形体的形变快速监测，监测精度可以达到与地面型三维激光扫描仪本身的精度相一致的效果。
Claims (3)
1.一种利用地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，其特征在于：
所述监测方法具体步骤如下：
（1）首先设置合适的固定站点、不动点目标，将地面型三维激光扫描固定在桩表盘上；用一头螺纹螺杆固定仪器，刻度标记，安置扫描仪对准刻度，扫描仪固定在桩上时用一个一头螺纹的螺栓，无螺纹一头扣进表盘里，有螺纹一头扣在仪器下方，仪器底盘与桩表盘接合；在仪器摆放固定站点四周布设圆形反射体；
（2）激光扫描仪采集地形数据：粗扫描的目的是为了更容易、更快速的找到追踪目标位置以及校正反射体；将激光扫描仪固定在定点墩上（初次扫描时在定点墩上做相应的对准记号，以后按记号摆置仪器），连接电脑、电源、相机等设备；开始采集数据，采集的数据包括4种：全范围粗扫数据、监测区域精扫数据、追踪目标精扫数据、校正反射体精扫数据；
（3）确定参照目标反射中心：由参照目标反射体点云强度高，根据点云分布的几何特征确定确定目标反射中心；
（4）根据参照目标反射中心配准不同时间序列下的扫描文件；数据配准的原理是以第一期数据的仪器自身坐标系作为工程坐标系，以后所有期的数据都是以第一次数据为基准进行配准，融入该工程坐标系；数据配准的方法实质是以校正反射片为公共点的数据拼接；
（5）寻找配准后观测对象反射体中心坐标，参照步骤（3）；
（6）比较不同时间序列下该坐标的变化情况；读取所需数据，分析目标体位移情况。
2.根据上述权利要求1所述的地面型三维激光扫描仪快速监测形变的方法，其特征在于：确定固定站点后，在仪器摆放固定站点位置的四周30m内，贴3-5个直径5cm的圆形反射体，用于校正，且确保这些反射体在整个监测过程中固定不动。
3.根据上述权利要求1所述的地面型三维激光扫描仪快速监测形变的的方法，其特征在于：若需要在监测对象上设置追踪目标点，则需要在该对象上固定适当大小的放射板；正方形反射板边长大小的计算公式是：a=1.25×dr，其中，dr为粗扫描精度；在扫描过程中，全范围粗扫精度的选择主要考虑耗时和追踪目标体是否能被识别；监测区域精扫精度与误差控制要求有关；追踪目标体精扫精度：df = 0.02×R；其中，粗扫精度df单位为毫米（mm），追踪目标体到仪器距离R是单位为米（m），校正反射片精扫精度取1mm。
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