CN106123845A - 基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了一种基于三维激光扫描技术，结合三维激光扫描点云的高精度与高密度，获取边坡实体三维数据海量点云完整的采集，进而快速重构出边坡实体目标的三维模型及点、线、面、体、空间等各种监测基础数据，实现完成坡体全面化多方面的监测目的。通过充分三维激光扫描技术获取的海量点云信息，提供基于监测特征点的水平、垂直位移监测变化量、不同监测时期监测点数据库管理方法；同时基于海量点云信息，以便利方式提取监测点云一定范围内等高线、等值线及断面线等，做基于线的位移监测；生成DEM及不规则三角网模型，以栅格数据格网化，做基于形变区域的位移监测，以此多种方式，充分利用三维激光扫描技术优势，提供一种全新的边坡位移监测方法。

Description

基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法

技术领域

本文发明涉及到一种基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，属于地理信息领域和三维激光技术领域。

背景技术

传统的测绘数据都是进行单点采集的，随着地面三维激光扫描仪应用到测绘行业，为解决边坡数据采集和分析提供了新的方法与手段，在此提出一种基于地面三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，通过三维激光扫描技术获取高精细海量点云，基于点云提取特征点作基于点的水平、垂直监测位移分析，同时以点云为基础，生成DEM，提取等高线、断面线等作基于线、面的整体位移分析，以弥补传统测绘方法(如全站仪等)采样点少，监测方式单一，难以反映变形的全部特征的缺点。

发明内容

本发明的目的是基于三维激光扫描技术，直接获取边坡实体三维数据完整的采集，进而快速重构出边坡实体目标的三维模型及点、线、面、体、空间等各种监测基础数据。

通过充分三维激光扫描技术获取的海量点云信息，提供基于监测特征点的水平、垂直位移监测变化量、不同监测时期监测点数据库管理方法；同时基于海量点云信息，以便利方式提取监测点云一定范围内等高线、等值线及断面线等，做基于线的位移监测；生成DEM，以栅格数据格网化，做基于形变区域的位移监测，以此多种方式，充分利用三维激光扫描技术优势，提供一种全新的边坡位移监测方法。

为实现上述目的，首先使用地面三维激光扫描系统在目标区域采集边坡点云数据，地面三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源盒其他附件设备共同构成。三维激光扫描技术的核心是激光发射器、激光反射器、激光自适应聚焦控制单元、CCD技术和光机电自动传感装置等，据此获取精密三维激光点云数据。通过在目标区域摆设固定的监测标靶作为监测特征点，以固定区域布设拼接转换控制点，为精密的三维空间点云坐标信息提供边坡监测数据基础。

处理步骤：

步骤1、在边坡监测区域均匀摆设目标标靶或其他监测物，做监测特征点使用；

步骤2、在适当区域架设地面三维激光扫描系统，针对边坡监测区域做整体精细扫描，获得点云数据；

步骤3、点云预处理，导入扫描站大地坐标，对扫描点云做整体拼接、坐标转换，保证不同时期点云数据处于同一大地坐标系；

步骤4、根据点云生成灰度图；

步骤5、边坡点云噪点编辑，保留兴趣区域精密点云；

步骤6、基于监测点作水平、垂直位移监测提取分析；

6.1在点云生成的灰度图，做图像匹配，提取标靶中心点三维坐标，添加至监测点数据库；

6.2在三维点云视图点选特征点，添加至监测点数据库。

步骤7、监测点数据库不同时期相同点位水平、垂直位移曲线查看，并导出规范的监测报表；

步骤8、将坡体点云编辑投影，生成精细DEM模型；

步骤9、根据点云提取断面线及剖面线等，用于坡体整体线性监测分析；

步骤10、根据DEM模型生成等值线；

步骤11、根据坡体DEM模型，与历史时期模型比较分析，做变化区域监测分析。

本发明具有如下优点：

1、数据来源为地面三维激光扫描系统，扫描时间短，外业数据采集便利，可以快速进行数据更新；

2、扫描点云信息量大，三维化显示坡体；

3、基于点、线、面多方位监测分析，监测结果多样化，监测准确性更高。

附图说明

图1为本发明基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法操作流程图。

图2三维激光点云扫描生成灰度图显示效果图。

图3三维激光点云基于点位监测报表显示效果图。

图4三维激光点云模型显示效果图。

图5三维激光点云等值线显示效果图。

图6三维激光点云模型显示区域形变效果图。

具体实施方式

步骤1在边坡监测目标区域固定摆设标靶或其他标志物，确保不同时期外业扫描均能精细扫描到监测标靶，依此完成标靶布设，同时需在地质稳定区域布设大地坐标系控制点，以便用于点云大地坐标转换；

步骤2外业扫描数据采集，根据三维激光扫描仪配套测距精度，在适当范围内精细扫描边坡目标区域；

步骤3获取控制点(位于地质稳定区域)在点云扫描坐标系下坐标及其在大地坐标系下坐标，通过拼接转换，将点云坐标由扫描仪坐标系转换至统一的大地坐标系下，以此确保不同历史时期获取的点云坐标均处于同一坐标系下；

步骤4根据点云生成灰度图。监测位移分析主要涉及监测特征点的提取及其准确性。首先根据地面扫描仪获得的有序点云数据根据扫描角度生成灰度图，由扫描仪记录参数获知扫描数据的起始水平角startH、终止水平角endH、起始垂直角startV、终止垂直角endV、水平角分辨率absH及垂直角分辨率absV，可计算获得灰度图水平宽度Width及垂直宽度Heighth，再计算点云每个点的水平角H、垂直角V，根据角度范围计算获得该点所在灰度图上像素位置(w，h)，统计点云反射强度范围将其映射至[0，255]区间，以点云文件记录的该点的反射强度值intensity计算其映射值作为颜色值写入像素位置(w，h)处，生成灰度图见附图2所示；

步骤5边坡点云噪点编辑，使用离群过滤、选择编辑等方法剔除噪点；

步骤6根据灰度图提取标靶中心点，作为监测特征点，并添加至数据库进行管理。根据标靶形状，设置灰度图进行模板匹配，提取标靶中心点坐标，添加记录该标靶监测点对应时间及点号、坐标至数据库进行长期管理；

步骤7根据监测点数据库做水平、垂直监测位移分析。根据数据库中记录的不同时期的同一监测点坐标在水平、垂直方向坐标差值dH、dV，计算同一监测点两时间段的时间差值，以天/月为单位，即可计算水平、垂直位移相对时间的位移变化量、位移速率及位移方向等矢量信息，并输出报表做统计分析使用，见附图3所示；

步骤8根据密集点云生成精细DEM模型。考虑到点云的密集性，首先统计点云水平范围minX，maxX，minY，maxY，设定格网步长为step，划分标准格网，计算可获得水平X方向格网总长为width＝(maxX-minX)/step，Y方向格网总长为height＝(maxY-minY)/step，计算点云中每个点所在水平、垂直格网位置(w，h)，统计计算所有在此格网处点坐标以点的高程坐标Z为基准，选取最低点/最高点/平均值作为该格网处的高程值坐标，如此既可降低点云密度，又可保证点云精度。再以此投影后点云构建不规则三角网，进行线性内插生成DEM模型，见附图4所示；

步骤9生成剖面线、断面线等线性监测数据。利用点云的高密集性及三维显示特性，可在空间范围获取任意位置断面层点云，构成断面线，作监测分析使用。

步骤10生成等值线监测分析数据。根据精细DEM模型，构建生成不规则三角网，以平行于XOY平面的平面planeA切割坡面三角网，获得每个相交三角形与该平面的交线，按顺时针方向连接成线，构成该基准高程处等值线，垂直方向移动平面planeA，即可获得高程处等值线。以此等值线数据与历史时期等值线进行叠加比较分析，即可获得坡体整体位移信息，以各个时期等值线分析比较，可提供更准确的监测数据信息，见附图5所示。

步骤11根据投影后点云生成的精细DEM模型，对坡体作整体的区域变化及体积量的监测对比。将不同历史时期的两个DEM模型对比计算，计算相同区域格网处的高差值dH，统计所有高差分布，获得高差范围maxdH、mindH，以一定高差步长stepH划分区段，按不同颜色显示不同区段，如附图6所示，如此可清晰显示坡体相同区域的垂直形变情况，并可做整体体积变化估算统计。

Claims (7)

1.一种基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，首先使用地面三维激光扫描系统在目标区域采集边坡点云数据，地面三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源盒其他附件设备共同构成。三维激光扫描技术的核心是激光发射器、激光反射器、激光自适应聚焦控制单元、CCD技术和光机电自动传感装置等，据此获取精密三维激光点云数据。通过在目标区域摆设固定的监测标靶作为监测特征点，以固定区域布设拼接转换控制点，为精密的三维空间点云坐标信息提供边坡监测数据基础。然后按如下步骤操作：

步骤1、在边坡监测区域均匀摆设目标标靶或其他监测物，做监测特征点使用；

步骤2、在适当区域架设地面三维激光扫描系统，针对边坡监测区域做整体精细扫描，获得点云数据；

步骤3、点云预处理，导入扫描站大地坐标，对扫描点云做整体拼接、坐标转换，保证不同时期点云数据处于同一大地坐标系；

步骤4、根据点云生成灰度图；

步骤5、边坡点云噪点编辑，保留兴趣区域精密点云；

步骤6、基于监测点作水平、垂直位移监测提取分析；

6.1在点云生成的灰度图，做图像匹配，提取标靶中心点三维坐标，添加至监测点数据库；

6.2在三维点云视图点选特征点，添加至监测点数据库。

步骤7、监测点数据库不同时期相同点位水平、垂直位移曲线查看，并导出规范的监测报表；

步骤8、将坡体点云编辑投影，生成精细DEM模型；

步骤9、根据点云提取断面线及剖面线等，用于坡体整体线性监测分析；

步骤10、根据DEM模型生成等值线；

步骤11、根据坡体DEM模型，与历史时期模型比较分析，做变化区域监测分析。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：步骤1中所述，在边坡监测目标区域固定摆设标靶或其他标志物，确保不同时期外业扫描均能精细扫描到监测标靶，依此完成标靶布设，同时需在地质稳定区域布设大地坐标系控制点，并能获取得到这些控制点在三维激光扫描坐标系下坐标，以便用于点云大地坐标转换。

3.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：步骤3所述获取控制点(位于地质稳定区域)在点云扫描坐标系下坐标及其在大地坐标系下坐标，以三对以上控制点通过拼接转换，将点云坐标由扫描仪坐标系转换至统一的大地坐标系，点云坐标拼接转换目的在于确保不同历史时期获取的点云坐标均处于同一坐标系下。

4.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：根据监测点数据库做水平、垂直监测位移分析。根据数据库中记录的不同时期的同一监测点坐标在水平、垂直方向坐标差值dH、dV，计算同一监测点两时间段的时间差值，以天/月为单位，即可计算水平、垂直位移相对时间的位移变化量、位移速率及位移方向等矢量信息，并输出报表做统计分析使用。

5.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：步骤8所述，根据密集点云生成精细DEM模型。考虑到点云的密集性，首先统计点云水平范围minX，maxX，minY，maxY，设定格网步长为step，划分标准格网，以maxX减minX，所得除以水平方向格网步长step，计算可获得水平X方向总格网数，同样，以maxY减minY，所得除以垂直方向格网步长step，计算可获得Y方向总格网数，计算点云中每个点所在水平、垂直格网位置(w，h)，统计计算所有在此格网处点坐标以点的高程坐标Z为基准，选取最低点/最高点/平均值作为该格网处的高程值坐标，如此既可降低点云密度，又可保证点云精度。再以此投影后点云构建不规则三角网，进行线性内插即可生成DEM模型。

6.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：步骤10中所述的根据步骤8所生成的精细DEM模型，构建生成不规则三角网，以平行于XOY平面的平面planeA切割坡面三角网，获得每个相交三角形与该平面的交线，按顺时针方向连接成线，构成该基准高程处等值线，垂直方向移动平面planeA，即可获得高程处等值线。以此等值线数据与历史时期等值线进行叠加比较分析，即可获得坡体整体位移信息，以各个时期等值线分析比较，可提供更准确的监测数据信息。

7.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描技术的边坡位移监测方法，其特征在于：步骤11根据投影后点云生成的精细DEM模型，对坡体作整体的区域变化及体积量的监测对比。将不同历史时期的两个DEM模型对比计算，计算相同区域格网处的高差值dH，统计所有高差分布，获得高差范围maxdH、mindH，以一定高差步长stepH划分区段，按不同颜色显示不同区段，清晰显示坡体相同区域的垂直形变情况，可估算统计整体体积变化。