三維激光掃描在邊坡變形監(jiān)測中的應用摘要：本文以LeicaP40三維激光掃描儀獲取的邊坡點云數(shù)據(jù)為樣本，采用Cyclone和Geomagic軟件對邊坡多測站點云數(shù)據(jù)進行配準以及變形監(jiān)測與分析方法進行了研究。首先，對獲取的多期邊坡點云進行配準。其次，根據(jù)研究區(qū)邊坡的實際自然地形特征，對邊坡多時相整體DEM進行疊加分析實驗。最后，根據(jù)測量機器人監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析和驗證，完成邊坡變形監(jiān)測研究。關鍵詞：三維激光掃描；點云數(shù)據(jù)；邊坡變形監(jiān)測0引言邊坡發(fā)生滑坡前，有一段遲緩的偏移過程，通過獲取不同周期的數(shù)據(jù)，對邊坡整體的變化趨向進行分析，找到變形嚴重區(qū)域并利用理論模型進行預測［1］。本文開展了三維激光掃描技術在邊坡變形監(jiān)測中的應用研究，為邊坡工程安全預測奠定了理論和技術基礎，也為工作人員安全施工提供保障。三維激光掃描技術原理三維激光掃描系統(tǒng)主要由電源、計算機、掃描儀構成，如圖2.1所示。掃描儀作為重要要素，包含激光發(fā)射器、濾光鏡、接收機、CCD攝像機和控制系統(tǒng)等［2］。掃描時，兩反射鏡同步而又迅速轉動，激光脈沖打在物體表面上，量出距離天頂距和水平角，然后按照極坐標原理解出物體表面點的坐標信息。以自定義坐標系為基準，發(fā)射點作為起始點，Z軸豎直向上為正；X軸垂直于Z軸；Y軸垂直X軸且面向物體為正，與X、Z軸構成右手坐標系?？傻茫篨—4y=Seosejsin&z=S^ina (1a其中：為鏡中心到點的間距，汀、「：分別為水平角和天頂距。結合上述空間三維坐標，就能得到目標體海量彩色三維點數(shù)據(jù)，稱之為點云,包含在點云信息里的不僅僅有空間三維坐標；、「、；「，還有點的反射強度和每個點的RGB數(shù)字信息3。圖1.1地面三維激光掃描系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)配準方法兩點云集之間的配準即計算一點集到另一個點集的剛體變換［4］。本文采用四元數(shù)旋轉表示法配準。在獲取點云數(shù)據(jù)過程中，在相鄰測站的重復區(qū)域內設置標靶，提取其點坐標，作為控制點來解算坐標變換參數(shù)，包括平移和旋轉參數(shù)。四元數(shù)丁是由一標量二和一向量心共同組成的，表示為是實數(shù),“是三維向量二廠…用四元數(shù)表示為則為-。旋轉矩陣形式用獨一的單元四元數(shù)來表示。從而和?的乘積可寫成：■■ 1":2I（2）于是，就能得到A和相應-」之間的關系為：（6）有一」約束，依據(jù)拉格朗日乘子法，可推導出：■ :（7）進而求出對應的A和「。工程實驗案例

3.1多時相邊坡整體DEM疊加分析米用不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)字高程模型，也稱DEM。按照Delaunay規(guī)則對預處理后的邊坡數(shù)據(jù)進行剖分，構建TIN，生成mesh模型。以上一期模型作為基準面下一期模型作為參照模型，使比較模型法線相匹配，進行DEM疊加，得到以下相鄰兩期邊坡整體DEM差分比較圖。圖3.22期圖3.22期-3期DEM差分比較圖3.2三維激光技術與測量機器人技術對比將事先預埋在邊坡上的10個棱鏡點A001-A010作為參考點，將第一期的10個棱鏡點坐標數(shù)據(jù)通過轉換格式導入三維激光掃描第一期數(shù)據(jù)中，設置合適的偏差搜索半徑，分析選點時嚴格按照偏差半徑對第2、3期相應位置進行測試點選取，然后將參考點和測試點進行差分比較，得出各個監(jiān)測點坐標信息和總的位移變化量。如下圖3.3為兩期疊加時10個點的點位分布圖以及各方向偏差和位移偏差標注圖。偏差標注圖。圖3.3各點位分布及位移偏差標準圖結論(1)多時相邊坡整體DEM疊加分析結果表明：兩期邊坡數(shù)據(jù)偏差基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，由此可得知邊坡整體大部分范圍趨于穩(wěn)定性狀態(tài)，小部分范圍變化較大，據(jù)局部邊坡表現(xiàn)不同程度分為滑坡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，從偏差色譜分布圖顯示實驗區(qū)南端靠近開采區(qū)位置在第二和第三期發(fā)生滑坡現(xiàn)象。(2)基于三維激光掃描儀獲得的點云信息和測量機器人采集的棱鏡點坐標信息，從具有代表性的A001-A010監(jiān)測點三維坐標和點位周期變化趨勢圖對比，顯示出兩種技術中處在滑坡區(qū)的A001、A005、A009和A010監(jiān)測點變化趨勢表現(xiàn)出基本吻合的結果，處在穩(wěn)定區(qū)但接近滑坡區(qū)邊緣的A006號點受滑坡影響在第三期時發(fā)生了0.4m左右形變，而處于穩(wěn)定區(qū)的A002、A003、A004、A007和A008監(jiān)測點處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，進一步驗證了地面三維激光掃描技術在邊坡變形監(jiān)測研究的可行性和準確性。參考文獻1.周麗靜.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的露天礦邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].西安建筑科技大學,2015.張步.三維激光點云數(shù)據(jù)配準研究[D].西安科技大學，2015.陳波，徐超，溫增平