三维激光扫描仪在地形变形监测中的应用研究

三维激光扫描仪在地形变形监测中的应用研究

许文哲

许文哲

南京市测绘勘察研究院有限公司江苏南京210019

【摘要】三维激光扫描仪所得到的数据是三维数据，这些数据能够构建出地形模型，通过比较同一地区不同时期的两个地表模型而得到一些变形量，从而完成对地形变形的监测。三维激光扫描仪采集数据的效率非常高，在进行地形变形监测时，能够代替传统的测量过程，节省了大量的人力和物力，同时由于是三维模型，所以在变形分析中也更加直观，因此应当加强其应用的研究。

【关键词】三维激光扫描仪；变形；监测

在传统的地形测量中往往需要投入大量的时间和精力，受到的干扰因素比较多，容易导致测量误差比较大等现象的发生，效率比较低下。而且传统的测量方法只能得到有限的三维数据坐标，难以满足现代地形变形监测的需要。随着测绘技术的进步，三维激光扫描技术能够测量目标的全部或者是局部的三维数据，能够比较真实全面地反映测绘目标的形态和结构等，在地形变形监测中发挥了重要的作用。

一、三维激光扫描仪简介

1.三维激光扫描仪的概念

三维激光扫描仪应用了地面三维激光扫描技术，是一种全自动的立体扫描测绘技术，具有测量精度高等优点。三维激光扫描仪突破了传统测量技术中的局限性，能够借助非接触主动测量的方式直接得到三维数据，而且不受工作环境的干扰和影响，能够随时满足测量工作的需要，并且将测量得到的信息转化为能够处理的数据。三维激光扫描仪的扫描速度比较快，工作效率比较高，在应用时所花费的成本比较低，具有数字化的特点，所得到的数据能够很好地和其它图形处理软件兼容。三维激光扫描仪在现实生活中具有广泛的应用，例如工程建设、断面三维测绘、环境监测、绘制地图以及大型建筑的监测等。随着三维激光扫描技术的不断进步和计算机技术的发展，三维激光扫描技术的应用也越来越广泛，例如在动漫产业、电影特技、文物保护、产品设计等方面应用非常普遍。

2.工作原理浅析

三维激光扫描仪主要有激光测距仪、扫描系统等系统所组成，其工作时由激光测距仪发射激光，从测绘物的表面接收发射到的信号，然后通过转化之后进行测距。扫描系统可以将激光设置在一定的范围内按照平面坐标的两个方向进行扫描，最终得到相应的角度值。在扫描的过程中，使用的坐标系是仪器本身所定义的坐标系，根据扫描中心的位置，最终能够得到每个扫描点的坐标数据。根据扫描平台的不同，三维激光扫描仪可以分为不同的类型，其用途相应地也存在一些差异。在地形变形监测中应用的是地面型三维激光扫描仪，在工作时扫描仪发射器发出一股激光脉冲信号，经过物体表面反射之后返回到接收器，从而可以计算出测量点与扫描仪之间的距离，同时编码器测量出每个激光脉冲的横向和纵向扫描角度。三维激光扫描仪在扫描时不需要接触扫描区域，能够满足危险区域的监测需要。同时三维激光扫描仪的穿透性比较强，采样的密度大，能够得到多个层面的相关信息，能够满足地形变形监测的需要。

二、在地形变形监测中的应用探究

1.控制点的设置

为了将多个测站所得到的数据转化在同一个坐标中，需要在变形体的周围设置控制点。控制点一般应当选择在远离变形区的地方，并且各个控制点之间应当能够保持通视，而且相对比较稳固的地方。为了能够得到比较精确的数据，需要在变形区中选择一些比较稳定的点作为后期拼接的约束条件，在实际的测量过程中可以放置和扫描仪配套的蓝白标靶。

2.采集数据

在应用扫描到的数据进行变形监测时，数据的采集质量对于数据的精度和模型的整体精度具有重要的影响。所以为了得到精度比较高的数据，应当在采集数据的过程中减少人为因素的干扰，进行现场勘测时要及时清除可移动的杂物。在扫描时应当重视标靶点，可以应用三维激光扫描仪本身的自动扫描功能来得到标靶的数据，这种扫描方式能够减少后期拼接过程中的误差。在三维激光扫描仪扫描时主要经过设站、定向、粗扫以及精扫四个部分，设站应当确保各个测站的位置所得到的数据完全覆盖所扫描的区域，同时在保证数据完整的前提下，尽可能减少扫描的测站数量，减少在后期数据处理过程中的误差。在监测区域中设站时，主要是选择合适的测站位置，和设置合理的标靶；在对变形区进行勘测时应当根据位置、大小和监测的需要，确定合适的控制点和测站点。在定向时，扫描仪能够借助被识别的标靶进行精扫，并且得到后视点的坐标和定向误差。在扫描的过程中，应当进行多次定向，努力减少定向的误差。在定向完成之后可以进行粗扫，先利用扫描仪中内置的相机对监测区进行拍照，然后设置扫描仪的采样间隔，并且确定扫描的区域。精扫是在粗扫完成的基础上，对重要的基点进行扫描，进一步确定后期的约束条件等，扫描的精度会直接影响到后期的拼接精度。

3.数据的处理

在数据采集完成之后，需要将数据进行相关的技术处理，转化为能够应用的数据。数据处理主要按照一定的程序进行，首先需要将监测到的数据结合起来，形成一个完整的网络，然后进行精确的处理确保数据的可靠性。一般遵循着点云的拼接、噪声处理、滤波以及数据输出等程序，点云拼接时将不同的测站点云数据拼接在一起，将测量到的不同坐标下的数据转化到一个坐标系中。在拼接时，系统会根据约束条件进行自动拼接，并且得到整体上的拼接误差。噪声处理通过一定的方法除去区域中的无关杂物，提高监测的准确性。在噪声处理之后，一些噪声点仍然难以消除，需要对数据进行滤波处理，去除其中隐藏的噪声点，同时降低数据的密度。在滤波完成之后，可以借助软件输出数据，扫描仪提供了多种输出文件格式。根据得到的数据，可以根据不同时期的扫描情况来得到监测点的位移大小，最终判断地形的变形情况。

三、结束语

地形变形监测有利于掌握到地形的变形规律和发展趋势，对于确保建筑物的安全，减少灾害的发生具有重要的意义。三维激光扫描仪在地形变形应用中具有一系列的优点，其精度高，能够实现自动化扫描等，减少了地形监测的成本，提高了测量的效率。在应用三维激光扫描仪的过程中应当重视数据的处理，努力减少数据处理的误差，确保监测结果的可靠性，从而准确判断地形变形的情况。

参考文献：

[1]朱生涛.地面三维激光扫描技术在地形形变监测中的应用研究[D].长安大学，2013.

[2]倪曙，喜文飞，张鸣宇.三维激光扫描仪在变形监测中的研究与应用[J].甘肃科学学报，2013，02：105-108.

[3]张靖，张爱能，刘国栋.三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用[J].西安科技大学学报，2014，02：199-203.