本文發(fā)明涉及到一種基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡位移監(jiān)測方法，屬于地理信息領(lǐng)域和三維激光技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的測繪數(shù)據(jù)都是進(jìn)行單點采集的，隨著地面三維激光掃描儀應(yīng)用到測繪行業(yè)，為解決邊坡數(shù)據(jù)采集和分析提供了新的方法與手段，在此提出一種基于地面三維激光掃描技術(shù)的邊坡位移監(jiān)測方法，通過三維激光掃描技術(shù)獲取高精細(xì)海量點云，基于點云提取特征點作基于點的水平、垂直監(jiān)測位移分析，同時以點云為基礎(chǔ)，生成DEM，提取等高線、斷面線等作基于線、面的整體位移分析，以彌補傳統(tǒng)測繪方法(如全站儀等)采樣點少，監(jiān)測方式單一，難以反映變形的全部特征的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是基于三維激光掃描技術(shù)，直接獲取邊坡實體三維數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出邊坡實體目標(biāo)的三維模型及點、線、面、體、空間等各種監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過充分三維激光掃描技術(shù)獲取的海量點云信息，提供基于監(jiān)測特征點的水平、垂直位移監(jiān)測變化量、不同監(jiān)測時期監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫管理方法；同時基于海量點云信息，以便利方式提取監(jiān)測點云一定范圍內(nèi)等高線、等值線及斷面線等，做基于線的位移監(jiān)測；生成DEM，以柵格數(shù)據(jù)格網(wǎng)化，做基于形變區(qū)域的位移監(jiān)測，以此多種方式，充分利用三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢，提供一種全新的邊坡位移監(jiān)測方法。

為實現(xiàn)上述目的，首先使用地面三維激光掃描系統(tǒng)在目標(biāo)區(qū)域采集邊坡點云數(shù)據(jù)，地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件控制平臺、電源盒其他附件設(shè)備共同構(gòu)成。三維激光掃描技術(shù)的核心是激光發(fā)射器、激光反射器、激光自適應(yīng)聚焦控制單元、CCD技術(shù)和光機(jī)電自動傳感裝置等，據(jù)此獲取精密三維激光點云數(shù)據(jù)。通過在目標(biāo)區(qū)域擺設(shè)固定的監(jiān)測標(biāo)靶作為監(jiān)測特征點，以固定區(qū)域布設(shè)拼接轉(zhuǎn)換控制點，為精密的三維空間點云坐標(biāo)信息提供邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

處理步驟：

步驟1、在邊坡監(jiān)測區(qū)域均勻擺設(shè)目標(biāo)標(biāo)靶或其他監(jiān)測物，做監(jiān)測特征點使用；

步驟2、在適當(dāng)區(qū)域架設(shè)地面三維激光掃描系統(tǒng)，針對邊坡監(jiān)測區(qū)域做整體精細(xì)掃描，獲得點云數(shù)據(jù)；

步驟3、點云預(yù)處理，導(dǎo)入掃描站大地坐標(biāo)，對掃描點云做整體拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，保證不同時期點云數(shù)據(jù)處于同一大地坐標(biāo)系；

步驟4、根據(jù)點云生成灰度圖；

步驟5、邊坡點云噪點編輯，保留興趣區(qū)域精密點云；

步驟6、基于監(jiān)測點作水平、垂直位移監(jiān)測提取分析；

6.1在點云生成的灰度圖，做圖像匹配，提取標(biāo)靶中心點三維坐標(biāo)，添加至監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫；

6.2在三維點云視圖點選特征點，添加至監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫。

步驟7、監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫不同時期相同點位水平、垂直位移曲線查看，并導(dǎo)出規(guī)范的監(jiān)測報表；

步驟8、將坡體點云編輯投影，生成精細(xì)DEM模型；

步驟9、根據(jù)點云提取斷面線及剖面線等，用于坡體整體線性監(jiān)測分析；

步驟10、根據(jù)DEM模型生成等值線；

步驟11、根據(jù)坡體DEM模型，與歷史時期模型比較分析，做變化區(qū)域監(jiān)測分析。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、數(shù)據(jù)來源為地面三維激光掃描系統(tǒng)，掃描時間短，外業(yè)數(shù)據(jù)采集便利，可以快速進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；

2、掃描點云信息量大，三維化顯示坡體；

3、基于點、線、面多方位監(jiān)測分析，監(jiān)測結(jié)果多樣化，監(jiān)測準(zhǔn)確性更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡位移監(jiān)測方法操作流程圖。

圖2三維激光點云掃描生成灰度圖顯示效果圖。

圖3三維激光點云基于點位監(jiān)測報表顯示效果圖。

圖4三維激光點云模型顯示效果圖。

圖5三維激光點云等值線顯示效果圖。

圖6三維激光點云模型顯示區(qū)域形變效果圖。

具體實施方式

步驟1在邊坡監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域固定擺設(shè)標(biāo)靶或其他標(biāo)志物，確保不同時期外業(yè)掃描均能精細(xì)掃描到監(jiān)測標(biāo)靶，依此完成標(biāo)靶布設(shè)，同時需在地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)大地坐標(biāo)系控制點，以便用于點云大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

步驟2外業(yè)掃描數(shù)據(jù)采集，根據(jù)三維激光掃描儀配套測距精度，在適當(dāng)范圍內(nèi)精細(xì)掃描邊坡目標(biāo)區(qū)域；

步驟3獲取控制點(位于地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)域)在點云掃描坐標(biāo)系下坐標(biāo)及其在大地坐標(biāo)系下坐標(biāo)，通過拼接轉(zhuǎn)換，將點云坐標(biāo)由掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系下，以此確保不同歷史時期獲取的點云坐標(biāo)均處于同一坐標(biāo)系下；

步驟4根據(jù)點云生成灰度圖。監(jiān)測位移分析主要涉及監(jiān)測特征點的提取及其準(zhǔn)確性。首先根據(jù)地面掃描儀獲得的有序點云數(shù)據(jù)根據(jù)掃描角度生成灰度圖，由掃描儀記錄參數(shù)獲知掃描數(shù)據(jù)的起始水平角startH、終止水平角endH、起始垂直角startV、終止垂直角endV、水平角分辨率absH及垂直角分辨率absV，可計算獲得灰度圖水平寬度Width及垂直寬度Heighth，再計算點云每個點的水平角H、垂直角V，根據(jù)角度范圍計算獲得該點所在灰度圖上像素位置(w，h)，統(tǒng)計點云反射強度范圍將其映射至[0，255]區(qū)間，以點云文件記錄的該點的反射強度值intensity計算其映射值作為顏色值寫入像素位置(w，h)處，生成灰度圖見附圖2所示；

步驟5邊坡點云噪點編輯，使用離群過濾、選擇編輯等方法剔除噪點；

步驟6根據(jù)灰度圖提取標(biāo)靶中心點，作為監(jiān)測特征點，并添加至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。根據(jù)標(biāo)靶形狀，設(shè)置灰度圖進(jìn)行模板匹配，提取標(biāo)靶中心點坐標(biāo)，添加記錄該標(biāo)靶監(jiān)測點對應(yīng)時間及點號、坐標(biāo)至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行長期管理；

步驟7根據(jù)監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫做水平、垂直監(jiān)測位移分析。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中記錄的不同時期的同一監(jiān)測點坐標(biāo)在水平、垂直方向坐標(biāo)差值dH、dV，計算同一監(jiān)測點兩時間段的時間差值，以天/月為單位，即可計算水平、垂直位移相對時間的位移變化量、位移速率及位移方向等矢量信息，并輸出報表做統(tǒng)計分析使用，見附圖3所示；

步驟8根據(jù)密集點云生成精細(xì)DEM模型?？紤]到點云的密集性，首先統(tǒng)計點云水平范圍minX，maxX，minY，maxY，設(shè)定格網(wǎng)步長為step，劃分標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)，計算可獲得水平X方向格網(wǎng)總長為width＝(maxX-minX)/step，Y方向格網(wǎng)總長為height＝(maxY-minY)/step，計算點云中每個點所在水平、垂直格網(wǎng)位置(w，h)，統(tǒng)計計算所有在此格網(wǎng)處點坐標(biāo)以點的高程坐標(biāo)Z為基準(zhǔn)，選取最低點/最高點/平均值作為該格網(wǎng)處的高程值坐標(biāo)，如此既可降低點云密度，又可保證點云精度。再以此投影后點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)行線性內(nèi)插生成DEM模型，見附圖4所示；

步驟9生成剖面線、斷面線等線性監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用點云的高密集性及三維顯示特性，可在空間范圍獲取任意位置斷面層點云，構(gòu)成斷面線，作監(jiān)測分析使用。

步驟10生成等值線監(jiān)測分析數(shù)據(jù)。根據(jù)精細(xì)DEM模型，構(gòu)建生成不規(guī)則三角網(wǎng)，以平行于XOY平面的平面planeA切割坡面三角網(wǎng)，獲得每個相交三角形與該平面的交線，按順時針方向連接成線，構(gòu)成該基準(zhǔn)高程處等值線，垂直方向移動平面planeA，即可獲得高程處等值線。以此等值線數(shù)據(jù)與歷史時期等值線進(jìn)行疊加比較分析，即可獲得坡體整體位移信息，以各個時期等值線分析比較，可提供更準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，見附圖5所示。

步驟11根據(jù)投影后點云生成的精細(xì)DEM模型，對坡體作整體的區(qū)域變化及體積量的監(jiān)測對比。將不同歷史時期的兩個DEM模型對比計算，計算相同區(qū)域格網(wǎng)處的高差值dH，統(tǒng)計所有高差分布，獲得高差范圍maxdH、mindH，以一定高差步長stepH劃分區(qū)段，按不同顏色顯示不同區(qū)段，如附圖6所示，如此可清晰顯示坡體相同區(qū)域的垂直形變情況，并可做整體體積變化估算統(tǒng)計。