CN113932727A - 基于扫描全站仪与gnss的边坡变形监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程技术领域，公开了一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统，旨在解决现有的边坡监测方法无法对边坡进行面监测的问题，方案主要包括：获取待测边坡的地表点云数据和的GNSS数据；根据GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；绘制坡面变形特征图，根据坡面变形特征图反映出待测边坡的坡面变形情况。本发明融合了GNSS监测和扫描全站仪的各自特点，实现了对边坡准确的面监测，特别适用于水库边坡。

Description

基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体来说涉及一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统。

背景技术

库区边坡稳定是水电站安全运行的重要前提，如何对不稳定的边坡做好有效且准确的面监测，是库区边坡监测急需解决的一项难题。目前进行边坡位移监测的方法有很多。按采集方式不同可以分为两类：接触式测量方法和非接触式测量方法。

GNSS测量法属于接触式测量法，如专利202110599693.0。该方法是在边坡各监测点处布置固定GNSS天线，通过GNSS卫星发送导航定位信号进行空间后方交会测量，从而对监测点进行位移监测，该法不受测点间通视限制，能准确测出各监测点的变形方向和变形值，但属于单点测量，不能反映出边坡不同区域完整地变形情况。

三维激光扫描测量法属于非接触测量方法，如专利201210059014.1。该方法首先设置合适的架设三维激光扫描仪的固定站点，不动点标靶目标，并在标靶目标上设置反射体，比较不同时间序列下的扫描点云数据，根据不同时序坐标的变化完成变形监测。这种方法虽具有面监测的特点，但变形监测精度低，坐标转换误差大。

发明内容

本发明旨在解决现有的边坡监测方法无法对边坡进行高精度的面变形监测的问题，提出一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一方面，本发明提出一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1、在待测边坡特征位置处设置多个GNSS静态接收机，并在覆盖待测边坡的通视范围内设置用于扫描全站仪多个扫描位置的对中观测桩；

步骤2、利用扫描全站仪的全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描全站仪的扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描数据进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，同时利用各GNSS静态观测接收机根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据；

步骤3、根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置处边坡局部范围变形方向和空间变形值；

步骤4、基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；

步骤5、根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

进一步地，步骤1中，多个GNSS静态观测接收机等第一间距设置，所述第一间距根据待测边坡的现场起伏状况确定。

进一步地，步骤1中，多个对中观测桩等第二间距设置，所述第二间距根据扫描全站仪的测程确定。

进一步地，步骤2中，所述对中观测桩具有工程坐标系坐标。

进一步地，步骤2中，所述点云预处理的方法包括：

对于三维激光扫描得到的点云数据，基于回波次数参数或布料滤波算法滤除边坡植被得到待测边坡的地表点云数据。

进一步地，所述步骤2还包括：

对待测边坡的地表点云数据进行去噪、降采样以及分割点云预处理操作。

进一步地，步骤4中，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向的方法包括：

根据欧式距离最小确定距离初始周期对应的各地表点云中点最近的GNSS静态观测接收机，并获取对应的GNSS静态观测接收机当前周期相对于初始周期的边坡局部范围变形方向；

根据所述地表点云中点在当前周期对应的地表点云数据中进行圆锥形近邻域搜索，获得地表点云中点对应的潜在对应点集；

在所述潜在对应点集中，根据法向量计算局部相似度最大的点，并将其作为地表点云中点的对应点；

将所述地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离作为待测边坡对应位置的变形量，将所述拟合平面的法向量作该对应位置的变形方向。

进一步地，所述坡面变形特征图的绘制方法包括：

根据各地表点云数据以及所述拟合平面的法向量在三维空间中绘制地表点云图，并根据各地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离在地表点云图中对初始周期对应的各地表点云填充颜色，得到待测边坡当前周期相对于初始周期的坡面变形特征图。

另一方面，本发明还提出一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统，包括：多个GNSS静态观测接收机、扫描全站仪、多个对中观测桩以及控制器，所述多个设置在在待测边坡特征位置处，所述多个对中观测桩用于扫描全站仪进行多个位置扫描，多个对中观测桩设置在能覆盖待测边坡的通视范围内；

所述扫描全站仪，用于利用全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描结果进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，并将所述地表点云数据发送至控制器；

所述GNSS静态观测接收机，用于根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据，并将所述GNSS数据发送至控制器；

所述控制器，用于根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；以及根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

进一步地，所述控制器具体用于：

根据欧式距离最小确定距离初始周期对应的各地表点云中点最近的GNSS静态观测接收机，并获取对应的GNSS静态观测接收机当前周期相对于初始周期的边坡局部范围变形方向；

根据所述地表点云中点在当前周期对应的地表点云数据中进行圆锥形近邻域搜索，获得地表点云中点对应的潜在对应点集；

在所述潜在对应点集中，根据法向量计算局部相似度最大的点，并将其作为地表点云中点的对应点；

将所述地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离作为待测边坡对应位置的变形量，将所述拟合平面的法向量作该对应位置的变形方向。

本发明的有益效果是：本发明所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统，通过结合扫描全站仪与GNSS静态观测两者的优点，即既能对边坡进行面监测，又能提供边坡准确的变形方向和变形值，进而实现了对边坡准确的面监测。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法及系统，主要方案包括：在待测边坡特征位置处设置多个GNSS静态接收机，并在能覆盖待测边坡的通视范围内设置用于扫描全站仪进行多个扫描位置的对中观测桩；利用扫描全站仪的全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描全站仪的扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描结果进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，同时利用各GNSS静态观测接收机根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据；根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

具体而言，本发明通过在待测边坡设置多个GNSS静态观测接收机和扫描全站仪的多个扫描位置来采集待测边坡的地表点云数据和GNSS数据，然后对不同周期下的各GNSS静态观测接收机采集的GNSS数据进行解算即可确定出对应位置边坡局部范围变形方向和空间变形值，再根据各GNSS静态观测接收机对应位置的变形方向对该位置一定范围内的地表点云数据进行点云差分，进而得到当前周期相对于初始周期的边坡变形量和变形方向，最后根据该边坡变形量和变形方向绘制坡面变形特征图，根据该坡面变形特征图即可反映出待测边坡的坡面变形情况。

实施例

本发明实施例所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在待测边坡特征位置处设置多个GNSS静态接收机，并在覆盖待测边坡的通视范围内设置用于扫描全站仪多个扫描位置对中观测桩；

如图2所示，首先需要在待监测的待测边坡内等第一间距D1预埋若干个GNSS静态观测接收机观测墩，在需要重点关注的区域也可加密预埋GNSS静态观测接收机观测墩。其中，第一间距D1视边坡起伏状况等具体特征确定，建议D1不大于20m。

然后在待测边坡的通视范围内以第二间距D2预埋若干个架设扫描全站仪的对中观测桩，要求至少在两个互补的方向处扫描边坡测区，以减少遮挡导致测区扫描不全的影响。第二间距D2视扫描全站仪的测程R而定，建议D2≤2R/3。对中观测桩应具有工程坐标系坐标，便于将扫描全站仪采集的地表点云数据转换到工程坐标系下。

步骤2、利用扫描全站仪的全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描全站仪的扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描结果进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，同时利用各GNSS静态观测接收机根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据；

本实施例中，首先使用扫描全站仪基于全站仪功能进行测站定向测量，再使用扫描全站仪基于扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，从而保证不同周期下的地表点云数据位于同一工程坐标系下，以避免点云配准误差。

在通过对待测边坡进行三维激光扫描后，基于回波次数参数或布料滤波算法对得到的地表点云数据进行滤波，得到待测边坡裸露地表对应的点云数据，本实施例设初始周期t₀处获取的裸露地表点云数据为{p_i}，(i＝1,2，…，n)，n为t₀周期对应的裸露地表点数，设当前周期t₁获取的裸露地表点云数据为{p_j}，(j＝1,2，…，m)，m为t₁周期对应的裸露地表点数。

为了提高监测的准确性，本实施例中，还根据获取的裸露地表点云情况对获取的裸露地表点云数据适当进行去噪、降采样、分割等点云预处理操作。

步骤3、根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；

在通过GNSS静态观测接收机采集得到待测边坡对应位置的GNSS数据后，对不同周期对应的数据进行解算就可以获取GNSS静态观测接收机处的边坡局部范围变形方向和空间变形值，例如，t₁周期相对于t₀周期的变形方向为

变形值为ν_x，x表示GNSS静态观测接收机编号，本实施例认为在GNSS静态观测接收机附近一定距离内的边坡区域变形方向在以

为旋转轴线，夹角为θ的圆锥范围内,其中，θ值根据实验确定。

步骤4、基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡各位置当前周期t₁相对于初始周期t₀的坡面变形值和变形方向；

本实施例中，获得待测边坡各位置当前周期相对于初始周期t₀的坡面变形值和变形方向的方法包括：

根据欧式距离最小确定距离初始周期t₀对应的各地表点云中点p_i最近的GNSS静态观测接收机，并获取对应的GNSS静态观测接收机当前周期t₁相对于初始周期t₀的边坡局部范围变形方向

根据所述地表点云中点p_i在当前周期t₁对应的裸露地表点云数据{p_j}中按确定的

和θ进行圆锥形近邻域搜索，获得地表点云中点p_i对应的潜在对应点集；

在所述潜在对应点集中，根据法向量计算局部相似度最大的点，作为地表点云中点p_i的对应点p_j；

将所述地表点云中点p_i到其对应点p_j所在邻域拟合平面的距离d_ij作为对应位置的变形量，将所述拟合平面的法向量

(

与

的夹角小于θ)作为对应位置的变形方向，若

与

的夹角值大于θ，则该点标记为无效点。

遍历初始周期t₀的所有裸露地表点云数据{p_i}对应的地表点云中点p_i，分别得到各地表点云中点p_i到其对应点p_j所在邻域拟合平面的距离d_ij以及所述拟合平面的法向量

(

与

的夹角小于θ)，从而得到各测站扫描仪获取的地表点云数据对应的当前周期t₁相对于初始周期t₀的坡面变形值和变形方向。

步骤5、根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

具体地，在得到待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期t₁相对于初始周期t₀的坡面变形值d_ij和变形方向

后，在三维空间中绘制地表点云图，并根据各地表点云中点p_i到其对应点p_j所在邻域拟合平面的距离d_ij在地表点云图中对初始周期t₀对应的各地表点云填充颜色，得到待测边坡当前周期t₁相对于初始周期t₀的坡面变形特征图。最后根据坡面变形特征图即可反映出待测边坡的坡面变形情况。

基于上述技术方案，本实施例还提出一种基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统，其特征在于，包括：多个GNSS静态观测接收机、扫描全站仪、多个对中观测桩以及控制器，所述多个设置在在待测边坡特征位置处，所述多个对中观测桩用于扫描全站仪进行多个位置扫描，多个对中观测桩设置在能覆盖待测边坡的通视范围内；

所述扫描全站仪，用于利用全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描结果进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，并将所述地表点云数据发送至控制器；

所述GNSS静态观测接收机，用于根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据，并将所述GNSS数据发送至控制器；

所述控制器，用于根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；以及根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

可以理解，由于本发明实施例所述基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统是用于实现实施例所述基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法的系统，对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的较为简单，相关之处参见方法的部分说明即可。

Claims (10)

1.基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待测边坡特征位置处设置多个GNSS静态接收机，并在覆盖待测边坡的通视范围内设置扫描全站仪多个扫描位置的对中观测桩；

步骤2、利用扫描全站仪的全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描全站仪的扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描数据进行点云预处理获取待测边坡的地表点云数据，同时利用各GNSS静态观测接收机根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据；

步骤3、根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置处边坡局部范围变形方向和空间变形值；

步骤4、基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；

步骤5、根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

2.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，步骤1中，多个GNSS静态观测接收机等第一间距设置，所述第一间距根据待测边坡的现场起伏状况确定。

3.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，步骤1中，多个对中观测桩等第二间距设置，所述第二间距根据扫描全站仪的测程确定。

4.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，步骤2中，所述对中观测桩具有工程坐标系坐标。

5.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，步骤2中，所述点云预处理的方法包括：

对于三维激光扫描得到的点云数据，基于回波次数参数或布料滤波算法滤除边坡植被得到待测边坡的地表点云数据。

6.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

对待测边坡的地表点云数据进行去噪、降采样以及分割等点云预处理操作。

7.如权利要求1所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，步骤4中，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向的方法包括：

根据欧式距离最小确定距离初始周期对应的各地表点云中点最近的GNSS静态观测接收机，并获取对应的GNSS静态观测接收机当前周期相对于初始周期的边坡局部范围变形方向；

根据所述地表点云中点在当前周期对应的地表点云数据中进行圆锥形近邻域搜索，获得地表点云中点对应的潜在对应点集；

在所述潜在对应点集中，根据法向量计算局部相似度最大的点，并将其作为地表点云中点的对应点；

将所述地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离作为对应位置的变形量，将所述拟合平面的法向量作对应位置的变形方向。

8.如权利要求7所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测方法，其特征在于，所述坡面变形特征图的绘制方法包括：

根据各地表点云数据以及拟合平面的法向量在三维空间中绘制地表点云图，并根据各地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离在地表点云图中对初始周期对应的各地表点云填充颜色，得到待测边坡当前周期相对于初始周期的坡面变形特征图。

9.基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统，其特征在于，包括：多个GNSS静态观测接收机、扫描全站仪、多个对中观测桩以及控制器，所述多个设置在在待测边坡特征位置处，所述多个对中观测桩用于扫描全站仪进行多个位置扫描，多个对中观测桩设置在能覆盖待测边坡的通视范围内；

所述扫描全站仪，用于利用全站仪功能进行测站定向测量，再利用扫描仪功能根据预设周期对待测边坡进行三维激光扫描，并对三维激光扫描结果进行点云预处理后获得待测边坡的地表点云数据，并将所述地表点云数据发送至控制器；

所述GNSS静态观测接收机，用于根据预设周期采集待测边坡的GNSS数据，并将所述GNSS数据发送至控制器；

所述控制器，用于根据所述GNSS数据获取各GNSS静态观测接收机对应位置的边坡局部范围变形方向和空间变形值；基于所述边坡局部范围变形方向对各GNSS静态观测接收机对应位置的预设范围内的地表点云数据进行点云差分，获得待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向；以及根据待测边坡的各地表点云数据对应的当前周期相对于初始周期的坡面变形值和变形方向绘制坡面变形特征图，进而反映出待测边坡的面变形情况。

10.如权利要求9所述的基于扫描全站仪与GNSS的边坡变形监测系统，其特征在于，所述控制器具体用于：

根据欧式距离最小确定距离初始周期对应的各地表点云中点最近的GNSS静态观测接收机，并获取对应的GNSS静态观测接收机当前周期相对于初始周期的边坡局部范围变形方向；

根据所述地表点云中点在当前周期对应的地表点云数据中进行圆锥形近邻域搜索，获得地表点云中点对应的潜在对应点集；

在所述潜在对应点集中，根据法向量计算局部相似度最大的点，并将其作为地表点云中点的对应点；

将所述地表点云中点到其对应点所在邻域拟合平面的距离作为待测边坡对应位置的变形量，将所述拟合平面的法向量作该对应位置的变形方向。

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