CN113701655B - 一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法，根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描得到的点云数据信息，得到待测滑坡体的三维立体模型；对滑坡体进行单元划分，将其划分为设定边长的多个立方体单元；建立滑坡独立坐标系，并获取每个立方体单元在滑坡独立坐标系中的三维信息，并对相邻立方体单元之间的距离进行约束；根据观测得到的部分立方体单元的三维变形量，建立各立方体单元之间三维位置关系的平差方程组；对平差方程组进行求解，并依据待测滑坡体整体的求解结果，获取待测滑坡体的高精度三维变形信息。该方法将几何构型复杂的滑坡变形整体求解问题转变为有限个简单模型单元的求解问题，适用性强，能有效简化运算。

Description

一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法

技术领域

本发明涉及滑坡变形监测技术领域，尤其涉及一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法。

背景技术

大型工程的高精度变形监测工作，不仅可以确定建筑物的安全情况，对可能存在的安全问题进行及时发现排查以防事故的发生，而且对建筑物使用期限、安全运营能力评估等都具有重要意义。水库滑坡是我国主要的地质灾害类型，对于滑坡开展实时监测预警对于国家的经济建设和发展具有重要意义。滑坡大多都是地质构造复杂且岩土特性不均匀的情况，在长时间各种力及自然因素的作用下，滑坡的滑坡体会出现变形及位移状况，如果出现异常情况，但却不能提前掌握了解，采取措施，一旦发生危险，后果不堪设想。

传统的滑坡监测方法有水准仪、GNSS观测站、裂缝计等。精密水准测量是获取高精度沉降监测成果的最有效方法,但很多滑坡区域坡度陡、高差大,实际可实施的项目很少,测量也很困难；卫星定位GNSS监测可为滑坡监测提供连续、实时、高效的观测定位,但一般观测精度只能获取离散点的地表位移数据,且垂直获取离散点的地表位移数据位移精度较差；地面摄影与激光扫描及InSAR在滑坡监测项目中实际应用不多,还处于探索研究阶段，获取的变形成果精度较低；深部位移监测能比地面位移监测获得更深层次反映滑坡变形动态的资料,是滑坡动态监测的重要手段之一，但测斜管的埋设工艺、数据采集及处理方法等如不当，取得的成果精度低、时效性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法，该方法将几何构型复杂的滑坡变形整体求解问题转变为有限个简单模型单元的求解问题，适用性强，能有效简化运算。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法，所述方法包括：

步骤1、根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描得到的点云数据信息，得到待测滑坡体的三维立体模型；

步骤2、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型，对滑坡体进行单元划分，将其划分为设定边长的多个立方体单元；

步骤3、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型建立滑坡独立坐标系，并获取步骤2所划分出的每个立方体单元在所述滑坡独立坐标系中的三维信息，并对相邻立方体单元之间的距离进行约束；

步骤4、根据多源传感数据观测得到的部分立方体单元的三维位移量，建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组；

步骤5、联合立方体单元位置信息的虚拟观测方程、相邻立方体单元之间的位置约束关系以及实测得到的部分单元体变形后的三维位置三种信息，对所述平差方程组进行求解，并依据待测滑坡体整体的求解结果，获取所述待测滑坡体的高精度三维变形信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法将几何构型复杂的滑坡变形整体求解问题转变为有限个简单模型单元的求解问题，适用性强，能有效简化运算，对滑坡三维位移模型的建立及其高精度三维变形数据的获取有重大的实用意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的获取滑坡高精度三维变形信息的方法流程示意图；

图2为本发明实施例所建立的待测滑坡体的一种三维立体模型示意图；

图3为本发明实施例所述对滑坡体进行单元划分的网格示意图；

图4为本发明实施例所述基于三维立体模型建立滑坡独立坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的获取滑坡高精度三维变形信息的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描得到的点云数据信息，得到待测滑坡体的三维立体模型；

在该步骤中，具体是根据水平方向及深部纵向结构来选择三维立体模型，如图2所示为本发明实施例所建立的待测滑坡体的一种三维立体模型示意图，该过程具体为：

首先根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描技术，得到待测对象的实测三维空间数据；

将所得到的三维空间数据分布成连续的空间点，得到三维数据集合；

再通过点与点之间的空间关系，得到三维数据集合空间的封闭面，由此建立待测滑坡体的三维立体模型。

步骤2、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型，对滑坡体进行单元划分，将其划分为设定边长的多个立方体单元；

在该步骤中，对滑坡体进行单元划分应根据研究重点和实际条件限制选择最恰当的立方体单元，考虑实际的情况比如滑坡体大小、计算条件等来选择最恰当的网格划分，当网格划分尺寸太大时将会忽略掉部分关键的要素；而当网格划分尺寸过于细时，模型的数值计算过程将过于繁琐，耗时加长。

同时也要根据模型实际的几何结构来选择恰当的单元体类型，保证每个单元体具有较好的几何形状，以便于后续的计算，如图3所示为本发明实施例所述对滑坡体进行单元划分的网格示意图，在本发明实施例中，所划分的多个立方体单元的边长设定为0.1m，本领域技术人员也可根据实际情况选择其他尺寸进行划分。

步骤3、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型建立滑坡独立坐标系，并获取步骤2所划分出的每个立方体单元在所述滑坡独立坐标系中的三维信息，并对相邻立方体单元之间的距离进行约束；

在该步骤中，如图4所示为本发明实施例所述基于三维立体模型建立滑坡独立坐标系的示意图，参考图4，具体根据待测滑坡体的设计施工图及所建立的三维立体模型，确定每个立方体单元中心点在所建立的滑坡独立坐标系中的三维空间位置信息(x_i，y_i，z_i)，并给每个立方体单元唯一的编号，假设待测滑坡体共划分出n个边长为0.1m的立方体单元，则每个立方体单元的三维信息如下：

则可得到每个立方体单元的虚拟观测方程为：

其中，P₀为每个立方体单元三维坐标信息的权重，这里设置为0.0001，相邻立方体单元i，j中心之间的距离始终保持为0.1m，且相邻立方体中心点连接线方向为x轴方向，y轴方向或者z轴方向，则相邻立方体单元之间的距离约束关系为：

其中，δ₀表示该约束的权重，这里设置为0.01，可以根据立方体大小进行调整；则相邻立方体单元之间位置关系的观测方程为：

x轴方向：

y轴方向：

z轴方向：

步骤4、根据多源传感数据观测得到的部分立方体单元的三维位移量，建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组；

在该步骤中，首先根据所述待测滑坡体表面布设的GNSS监测网、深部位移监测、裂缝计和惯导技术所得到的滑坡体表面及内部两期形变数据，计算得到部分立方体单元的三维位移信息，得到该立方体单元变形后的三维位置坐标：

其中，为i立方体单元变形后的三维位置信息，(Δx_i，Δy_i，Δz_i)为i立方体单元实测的三维位移信息，并将实测三维坐标作为三维立体模型的变形约束条件，该约束权重Q₀设置为1；

然后利用所得到的部分立方体单元的实测三维坐标及所建坐标系中各立方体单元的三维信息，建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组，求解每个立方体单元的三维坐标改正数。

其中，在建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组过程中：

首先对所有相邻立方体单元的编号进行标记，避免重复建立相邻立方体单元之间的平差方程，得到所有相邻立方体单元组合的标记数组为：{12，23，34，…，ij，…}，则共需建立m个方程；

根据标记数组得到所有相邻立方体单元的平差方程，设对应编号的相邻立方体单元i，j之间的距离观测值为且有

其中，为j立方体单元三维位置的变形值；

根据立方体单元位置信息的虚拟观测方程、相邻立方体单元之间的位置约束关系以及实测得到的部分单元体变形后的三维位置信息，得到误差方程为：

最终建立各立方体单元变形后三维信息的平差方程组，其中：

若划分的立方体单元为n个，共可得到m个相邻立方体单元的观测方程(假设m₁方程的相邻单元体为n₁，n₂)，则总平差方程组为：

式中，其中/>

其中/>

其中/>

本矩阵由m×n个3×3的子块构成，给出第m₁个行块的具体内容为：

步骤5、联合立方体单元位置信息的虚拟观测方程、相邻立方体单元之间的位置约束关系以及实测得到的部分单元体变形后的三维位置三种信息，对所述平差方程组进行求解，并依据待测滑坡体整体的求解结果，获取所述待测滑坡体的高精度三维变形信息。

具体来说，首先对所述平差方程组进行求解，得到各立方体单元改正后的坐标值

再根据各立方体单元平差前与平差后的三维位置信息，经过可视化表达，得到待测滑坡体的位移方向及位移量，由此获得所述待测滑坡体的高精度三维变形信息。

另外，为验证本方法的有效性，可以将通过三维模型得到的滑坡位移场与滑坡地表及内部观测站点的观测值进行定量的比对分析，具体可以采用均方根误差计算方法，均方根差值σ反映了模拟结果与实测数据的差异水平，σ越大表示模拟结果与实际观测值偏差越大，反之均方差值越小，则表示模拟结果越接近真实值，计算公式如下：

式中，V_obs,i为观测点i的位移观测值；V_sim,i为对应观测点数值模拟插值结果。

通过比对分析可知：当均方根差值σ<0.01m时，则认为模拟结果与真实值基本是一致的，得到待测滑坡体的三维变形信息是可用的。其中，σ的限值可视实际观测值的精度而定。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描得到的点云数据信息，得到待测滑坡体的三维立体模型；

步骤2、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型，对滑坡体进行单元划分，将其划分为设定边长的多个立方体单元；

步骤3、基于所得到的待测滑坡体的三维立体模型建立滑坡独立坐标系，并获取步骤2所划分出的每个立方体单元在所述滑坡独立坐标系中的三维信息，并对相邻立方体单元之间的距离进行约束；

步骤4、根据多源传感数据观测得到的部分立方体单元的三维位移量，建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组；

步骤5、联合立方体单元位置信息的虚拟观测方程、相邻立方体单元之间的位置约束关系以及实测得到的部分单元体变形后的三维位置三种信息，对所述平差方程组进行求解，并依据待测滑坡体整体的求解结果，获取所述待测滑坡体的高精度三维变形信息。

2.根据权利要求1所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

首先根据待测滑坡体的设计施工图以及三维激光扫描技术，得到待测对象的实测三维空间数据；

将所得到的三维空间数据分布成连续的空间点，得到三维数据集合；

再通过点与点之间的空间关系，得到三维数据集合空间的封闭面，由此建立待测滑坡体的三维立体模型。

3.根据权利要求1所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，在步骤2中，所划分的多个立方体单元的边长设定为0.1m。

4.根据权利要求1所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，在步骤3中，具体根据待测滑坡体的设计施工图及所建立的三维立体模型，确定每个立方体单元中心点在所建立的滑坡独立坐标系中的三维空间位置信息(x_i，y_i，z_i)，并给每个立方体单元唯一的编号，假设待测滑坡体共划分出n个边长为0.1m的立方体单元，则每个立方体单元的三维信息如下：

则可得到每个立方体单元的虚拟观测方程为：

其中，P₀为每个立方体单元三维坐标信息的权重，这里设置为0.0001，相邻立方体单元i，j中心之间的距离始终保持为0.1m，且相邻立方体中心点连接线方向为x轴方向，y轴方向或者z轴方向，则相邻立方体单元之间的距离约束关系为：

其中，δ₀表示该约束的权重，这里设置为0.01，根据立方体大小进行调整；则相邻立方体单元之间位置关系的观测方程为：

x轴方向：

y轴方向：

z轴方向：

5.根据权利要求1所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，所述步骤4的过程具体为：

首先根据所述待测滑坡体表面布设的GNSS监测网、深部位移监测、裂缝计和惯导技术所得到的滑坡体表面及内部两期形变数据，计算得到部分立方体单元的三维位移信息，得到该立方体单元变形后的三维位置坐标：

其中，为i立方体单元变形后的三维位置信息；(Δx_i，Δy_i，Δz_i)为i立方体单元实测的三维位移信息，并将实测三维坐标作为三维立体模型的变形约束条件，该约束权重Q₀设置为1；

然后利用所得到的部分立方体单元的实测三维坐标及所建坐标系中各立方体单元的三维信息，建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组，求解每个立方体单元的三维坐标改正数。

6.根据权利要求5所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，在建立各立方体单元之间位置关系的平差方程组过程中：

首先对所有相邻立方体单元的编号进行标记，避免重复建立相邻立方体单元之间的平差方程，得到所有相邻立方体单元组合的标记数组为：{12，23，34，…，ij，…}；

根据标记数组得到所有相邻立方体单元的平差方程，设对应编号的相邻立方体单元i，j之间的距离观测值为且有

其中，为j立方体单元三维位置的变形值；

根据立方体单元位置信息的虚拟观测方程、相邻立方体单元之间的位置约束关系以及实测得到的部分单元体变形后的三维位置信息，得到误差方程为：

最终建立各立方体单元变形后三维信息的平差方程组，其中：

若划分的立方体单元为n个，共可得到m个相邻立方体单元的观测方程(假设m₁方程的相邻单元体为n₁，n₂)，则总平差方程组为：

式中，其中/>

其中/>

其中/>

本矩阵由m×n个3×3的子块构成，给出第m₁个行块的具体内容为：

7.根据权利要求1所述获取滑坡高精度三维变形信息的方法，其特征在于，在步骤5中，具体来说：

首先对所述平差方程组进行求解，得到各立方体单元改正后的坐标值

再根据各立方体单元平差前与平差后的三维位置信息，经过可视化表达，得到待测滑坡体的位移方向及位移量，由此获得所述待测滑坡体的高精度三维变形信息。