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三维激光扫描仪在地质灾害调查监测中的应用

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三维激光扫描仪在地质灾害调查监测中的应用
随着我国经济的蓬勃发展、综合国力的不断提升,基础工程建设全面展开,水利水电工程、高速公路、铁路、桥梁、隧道工程进入了一个迅猛的发展时期,由此引发的一系列工程地质问题也日益突出,工程地质勘察工作凸现出任务重、时间紧、难度高等特点。
在工程建设期间,面对快速开挖形成的高陡边坡,也必须很快完成相关的地质编录工作,而这不仅需要大量的人力投入,而且影响施工进度并带来作业人员的安全隐患问题;还有如何提高调查工作的效率和精度等。所有这些,都需要在高边坡地质调查工作中引进快速、高效,且对地形条件有很强适宜性的调查技术。
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广西快三官方网站特点
1.非接触性。
传统的单点式监测中监测的有效性依赖于监测点的设置,一旦监测点遭到破坏将影响到最终结果,而三维激光扫描技术在不设置监测点也无需反射镜,在不接触目标表面的情况下,可获得三维坐标信息,它的这一特点解决了危险区域、柔性目标的数据采集,完全真实可靠。

2.高速度、高精度、高密度。
三维激光扫描技术采集数据速度非常快,可达几十万点/秒,大大提高了大面积灾害体的空间信息获取速率。同时采用点阵和格网的数据采集方式,采样点分布比较均匀,具有较高的分辨率。具备的激光束全自动距离适应聚焦功能,提高了点云数据的均匀精度,也可获取高密度、高精度、分布均匀的灾害体点云数据。

3.实时、动态、主动性。
三维激光扫描技术可全天候实时作业,不需要外部光源,主动发射信号,通过探测回波信号得到灾害体信息。这一特点使其在面对突发性地质灾害时可迅速响应,高效作业,不受时空约束和间限制,可全候作业能及测量物体表面的三维信息,这些特征使得该技术可用于自动化监控行列。

4.穿透性。
由于三维激光扫描的采样间距比较小、采样密度比较大,当灾害体表面存在不太浓密的植被覆盖时,仍有一部分激光能够到达灾害体表面,经过有效的点云去噪,可获取灾害体表面信息。

5.数字化、自动化。
三维激光扫描技术采集的数据是数字坐标信号,它具有全数字化的特征,可靠性好,自动化程度高,易于数据的后期处理、格式转换及数据输出。

6.能与GPS广西快三官方网站、外置数码相机广西快三官方网站组合。
扩展了三维激光扫描技术的使用范围,使获取的地表信息也更准确、完整。使用外置的数码相机,能够采集物体表面的彩色,更加全面、真实地反映目标信息。结合GNSS定位技术,更加广泛的扩展了三维激光扫描技术的应用范围,也提高了测量数据的准确性。
解决方案

一、设备概况

Optech Polaris脉冲式长测程三维激光扫描仪,最高测程可达2000米,包含三维激光扫描仪及配套点云处理软件。

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Optech Polaris脉冲式长测程三维激光扫描仪


1.精度高,POLARIS三维激光扫描仪的测量定位精度为3mm,可以达到一般测量精度要求。
2.测距远,2000m@80%反射率目标,250m@10%反射率目标。不管对于短距离及长距离的扫描,Polaris均能覆盖。对于不同地质物体,可从各个角度进行完整扫描,不留死角。
3.测量速度快,数据测量速率最高可达50万点/秒,节省测量时间,快速的扫描速度加上强大的后处理软件使您在短时间内达到预期目的。
4.安全一级激光,即便在人多的情况下也可以进行测量,不会对测量作业人员及周边群众造成伤害。
5.仪器具有IP64级防水防尘功能仪器适用不同作业环境,也可配合个人时间,合理安排工作,即便是在夜晚或湿润天气均可进行外业测量。
6.强大易用的后处理软件,POLARIS的后处理软件ATLAScan具用强大的功能,并且简单易于学习使用。

7.主机内置双500万像素广角数码相机,扫描后,自动存储该场景的数码影像。可做为GIS分类的基础信息。并可同时实现彩色点云的获取。


二、解决方案

1、数据采集与预处理

三维激光扫描仪通过对形变区域进行周期性扫描,对比不同期次的三维信息进行形变监测。一般情况下可将基于三维激光扫描仪的地质灾害地面形变监测分为现场勘查、数据采集、成果输出与分析比对3个主要步骤。
(1)现场勘查
根据监测区域概况、要求等进行现场勘查,确定采集设备及作业方式。区域概况包括位置、大小、形态等,同时排除可人为去除的干扰,减少人为误差的引入。为了得到统一坐标系下的三维激光扫描数据成果,还需要埋设用于设站和定向的控制点。控制点应选在各点之间能够相互通视且较稳固的地方。对于有条件布设监测点的区域在形变较为严重、突出的地方布设监测点。若采用基于标靶的点云拼接方式还需确定公共标靶个数和位置,原则上每3个公共标靶按照空间锐角三角形布置而且保证每两个需要拼接的点云数据中包含至少3个不在同一直线上的公共标靶。


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现场勘察

(2)数据采集
扫描站位置应选择安全、稳定且通视情况良好的区域。采用无标靶拼接方式的扫描区域,应保证每两个需要拼接的扫描区域间至少有40%的重叠度以及尽可能多的特征点,以满足拼接要求以及成果精度。在选定的测站上架设扫描仪,调整好扫描仪方向和倾角,严格对中整平,并量取仪器高,连接好扫描仪、计算机和电源。进行多次定向,将自定义的扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下。

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数据采集

(3)点云预处理
点云数据进行粗差剔除、旋转对齐、多视拼接等操作,若采用基于标靶的拼接方式,在重叠区域均匀地选取公共标靶,根据约束条件,计算整体拼接误差,拼接误差过大时应仔细检查该点坐标的正确性,删除误差过大的公共标靶;若采用无标靶拼接方式,在重叠区域尽量选取特征点,以减小拼接误差。数据处理时先要手工去除由灾害体及周围一些无关的杂草、树木、建筑物、电杆等造成的无关点云噪声点。去噪过程应遵循“少去除多视角”的去除方法,避免删除真实的有效点云数据。再对手工去噪后的数据进行点云滤波,过滤其他隐含噪声点且降低点云密度。点云滤波应选择保持原始数据形态,地形改变量较小的方式,以减少对有用点云的剔除保证点云数据的精度。


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点云数据



2、数据分析与应用

(1) 地形图制作

① 通过设备自带软件进行预处理之后,导出通用的ASCII格式的XYZ坐标文件至数据后处理软件中。

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点云导入数据后处理软件


② 由点云要素自动化生成TIN(不规则三角网)模型。


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点云封装模型


③ 由TIN模型转换为栅格数据,得到DEM模型。

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 DEM模型

④ 生成等高线

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等高线


(2)变形位移分析

通过点云可以对多期扫描数据进行对比,以其中一期扫描数据作为基准站,通过色谱图的形式表现出后期数据的位移量,并对变形量进行统计分析。

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位移变形色谱图

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变形量统计分析

(3)方量变化计算

在地质监测中,可能产生滑坡、泥石流、坍塌等灾害的区域需要特别注意土方量的动态变化,对扫描所得的数据进行处理与分析,通过监测点的变形信息以及特定区域的土方量的变化进行分析,可预测地质灾害的变形趋势和未来量大。

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两期数据变形分析

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两期数据体积变化


三、总结

三维激光扫描技术具有很强的工程适用性,在岩土、地质工程、地质灾害的调查中应用三维激光扫描技术具有重要的理论及现实意义,有着巨大的应用潜力。传统的地质灾害调查方法费时、费力并存在调查人员的人身安全问题,某些情况下还难以获取令人满意的结果。将三维激光扫描技术引入到岩土、地质工程领域,大大降低了调查人员的劳动强度,提高了工作效率,成果也更加翔实丰富。
总而言之,对于实际的工程应用来讲,将三维激光扫描技术与岩土、地质工程领域的调查方法相结合,并把该技术应用于工程实践当中去,无论对于测绘还是工程领域都具有重要的里程碑意义。

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