边坡挡墙变形监测新技术研究

边坡挡墙变形监测新技术研究

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摘要：三维激光扫描技术的出现，为边坡挡墙变形监测提供了新的监测手段，本文选用在测量领域中使用较广的脉冲式扫描仪，以监测某立交桥的边坡挡墙变形为实例，进行了点云数据采集。根据边坡挡墙变形监测的特点及数据处理的要求，使用机带软件RIEGLVZ-1000进行了点云数据预处理之后，再引入第三方点云处理软件GeomagicStudio和GeomagicQualify,进行了数据处理及变形分析。通过研究，提出了基于三维激光扫描技术的边坡挡墙变形监测新方法。

关键词：三维激光扫描；挡墙；变形监测；点云数据

Abstract: The emergence of three - dimensional laser scanning technology provides a new means to monitor deformation of slope and retaining wall. The paper uses the pulsed scanner which is widely used in measurement, we scan a slope and retaining wall of a bridge which is taking as an example and collect the point cloud data. According to the characteristics and requirements of the slope and retaining wall data processing, we use the RIEGL VZ - 1000 which comes with the machine to finish point cloud data preprocessing, use the third - party point cloud processing software Geomagic Studio and Geomagic Qualify to process data and analysis deformation. After the research, we presented a new method to monitor deformation of slope and retaining wall based on 3D laser scanning technology. Key words:3D laser scanning; slope and retaining wall; deformation monitoring; point cloud data

引言

我国是世界上自然灾害频发的国家之一，而滑坡灾害在我国的自然灾害中占

有相当大的比例，滑坡监测作为预防滑坡灾害的手段,其工作的意义也愈加重要。

20世纪90年代中期出现并发展起来的三维激光扫描技术，可以简单高效地获取变形体的三维数据，把以前以点代面的监测方法改变为全局性的整体监测方法，全面地掌握变形体的变形过程和变形规律，丰富变形测量的内涵。与传统的滑坡监测技术相比，三维激光扫描技术具有无需事先埋设监测设备、无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够反映坡体的总体变形趋势等特点，可以快速获取高密度、高精度的三维点云数据，经数据处理及建模后可以得到整个变形监测体的变化信息，对监测结果进行研究可掌握其变形发展规律，开展滑坡灾害预报研究。本文采用RIEGL VZ - 1000脉冲式三维激光扫描系统，以监测某立交桥的边坡挡墙变形为实例，进行数据采集，引入第三方点云数据处理软件Geomagic Studio 和Geomagic Qualify进行后期数据处理和变形分析，研究了边坡挡墙监测的技术路线以及监测数据处理方法。

1地面三维激光扫描技术的基本原理

地面三维激光扫描系统主要由扫描仪、计算机、电源供应系统和其他附件设备组成。激光扫描仪本身包括激光测距系统和成像系统，同时也集成了CCD和仪器内部控制及校正系统等（如图1所示）。

激光扫描仪的测距方法是根据光学三角测量的原理，以激光作为光源，将其投射到被测物体表面，并采用敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根

图1固定式地面激光扫描系统示意图

据光点或光条在物体上成像的偏移,通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系,计算物体的深度信息（如图2所示)

激光扫描仪的发射器通过激光二极管发射近似红外波长的安全激光束，对所测对象进行立体面状扫描。在扫描仪内，扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平方向值a和天顶距值0。借助设备获取从物体上反射回来的激光，通过测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间或相位差，计算出激光扫描仪到物体扫描点之间的距离值S和反射强度/。a, 0和S 用来计算激光打在被测物体上的扫描点的三维坐标。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统,X轴在横向扫描面内，Y轴在纵向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直，由此得到点坐标的计算公式：

X =Ssin0sina

Y=Ssin0cosa(1)

Z=Scos0

2地面三维激光扫描仪选用

变形监测要求测量仪器具有较高的数据采集精度，测量数据处理后要具有精

Fig . 3 Deformationmonitoringbasicflowchart 为地面三维激光扫描仪进行扫描观测的控制点（如图4 所示）。

确建模精度，部分高边坡还要求测量仪器具有高仰角测量功能。根据这些要求，选用了奥地利RIEGL 公司推出的RIEGLVZ - 1000激光扫描仪，其采用了脉冲法测距方式，拥有RIEGL 独一无二的全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射高达300 000点的纤细激光束，提供高达0.000 5°的角分辨率,扫描距离可达1.4 km 。除此以外，基于RIGEL 独特的多棱镜快速旋转扫描技术，能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。接口方面预留了GPS 和数码相机接口，可在仪器上部连接GPS 设备进行实时定位，连接数码相机进行影像同步采集。RIEGLVZ -1000激光扫描仪的基本性能参数见表1。

3技术路线设计

变形监测的任务是确定在各种荷载和

外力作用下，变形体的形状、大小及位置

变化的空间状态和时间特征；目的是要掌

握变形体的实际状态，为判断其安全提供

必要的信息。在实际作业时，根据变形监

测的特点，其坐标系统可采用独立的变形

监测坐标系统，也可与城市控制或国家坐

标系统联测。基于三维激光扫描技术的变

形监测基本流程如图3所示。 表1 RIEGLVZ -1000激光扫描仪参数表

4边坡监测

本次对某立交桥的部分边坡挡墙进行监测。前期采用常规手段对该挡墙进行监测，已布设了变形监测基准点和工作基点，经检校其满足变形监测精度要求，直接作图4大桥立交边坡挡墙变形监测控制示意图

4.1数据采集

扫描数据外业采集,采用“测站点+后视点”的测量方式，在DQ1上架设扫描仪，在DQ2和DQ3上架设标靶，其中DQ3作为后视定向点,DQ2作为检校点。扫描测站点距监测挡墙20 m左右，为保证较高的采样精度和外业作业效率，点云分辨率设置为100 m距离0.05 m,每次扫描时间在 10 min左右,每站对监测目标扫描4次。在常规观测的同时，选取部分边坡挡墙，采用扫描仪进行了两期扫描。

4.2点云数据预处理

将扫描得到的点云数据导入随机软件RiscanPro中，同时将控制点坐标信息录入到软件中，运用软件的Back- sightingorientation功能对点云数据进行坐标转换, 得到在大地坐标系下的原始点云数据。由于原始点云数据存在许多杂点和多余数据，通过对其进行剔除处理，得到挡墙的点云数据。

将通过预处理的点云数据，以通用的文本格式输出，以便后期第三方软件调

用。

4.3点云数据建模

点云数据建模采用GeomagicStudio软件，是由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面，也可根据任意实物零部件自动生成准确的数字模型。

将预处理输出的文本格式点云数据调入Geomagic audio软件中，通过对点云数据进行着色、离散点删除、去噪、抽稀、封装，得到三角网模型后，利用软件的“松弛”功能对三角网模型进一步优化，使三角网模型更加平滑，接近真实实体。

分别将两期数据按上述流程进行处理，把得到的三角网模型导入GeomagicQualify软件进行变形分析。

4.4边坡变形分析

边坡分析软件采用美国Geomagic公司提供的GeomagicQualify,这个软件可以准确、快速地检测到CAD 三维数字参考模型与实际构造部件之间的尺寸误差，并自动地将这种比较结果的差异以直观、易懂的色谱图形式显示出来，可以进行形位误差的比较、评估等。

将经过处理得到的两期三角网模型调入Geomagic Qualify软件中，将第一期数据设置为参考数据，第二期数据设置为测试数据。运用“3D比较”功能对模型数据进行比较（如图5所示）。

图5 3D比较分析

通过3D比较分析，得到两个模型之间的最大偏差正负分别为+ 0. 012 3 m 和-0. 014 7 m;平均偏差为0.000 2 m,正负分别为+ 0.001 8 m和- 0.002 4 m;标准偏差为0.002 8 m。可以看出两期数据表面偏差分布不均匀，出现该情况的原因是边坡表面不平滑，导致建立的模型表面平滑度不高所致。根据其平均偏差在毫米级且值很小，说明两期数据之间没有发生明显变化。

在3D分析结果基础上运用软件提供2D比较功能，在边坡挡墙上分别截取一个横截面和纵截面，对两个截面上的两期数据进行比较分析。通过2D比较得到的结果见表2。

表2 2D分析结果

得出的结果进行印证，结论一致。该方法能够满足边坡变形监测要求。

5结束语

本文将地面三维扫描技术应用到了边坡变形监测中，引入用于逆向工程和三维检测的第三方软件进行变形分析。对具体的监测技术路线和数据处理方法进行了探讨，得出了一种新的边坡变形监测方法，为同类变形监测项目提供了参考。

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