基于地面三维激光扫描技术的边坡安全监测及其数据分析开题报告

全文总字数：3043字

1. 研究目的与意义

自古以来，人类都在与自然灾害进行着抗争，而对边坡进行变形监测是预防灾害的重要组成部分。边坡的监测工作主要包括：边坡地表的位移监测、内部的倾斜监测、应力监测、降水量监测等方面，而其中对地表位移的监测是边坡变形监测中的重点内容。随着科学技术的发展和测绘科学技术的发展，边坡形变监测的方法手段也在不断进行发展；同时，随着边坡监测要求的提高，也促使着技术手段变得越来越丰富。边坡监测的最终目的和意义就在于减少人民生命财产的损失，保障国家大型工程的建设和运营安全。

地面三维激光扫描技术（TLS）是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维表面模型提供了一种全新的技术手段。它可以在不接触被测区的情况下，快速、精确的获取变形区域表面的海量的点云数据，而且获取的点云数据具有相当高的精度，不仅如此，它还具有全天候工作、自动化程度高、测量结果易储存、传输、处理等优点^[1]。并将获取的点云数据进行一系列的处理之后，便能够获得变形区域的整体信息并生成模型，这对边坡变形监测有重要的意义。本课题应用TLS获取边坡表面信息，研究基于点云数据的边坡模型构建方法，通过多期数据模型的比对分析，获取边坡变化信息。本课题的研究成果具有一定的实用价值。

2. 国内外研究现状分析

julientravelletti等利用远距离地面式激光扫描仪在固定时间内连续3年（2007-2010）对super-sauze滑坡体（位于法国南部阿尔卑斯山脉）进行了数据采集，并从点云时间序列中提取相关有用信息，通过一种新的算法来简化其三维配准，从而推断出三维形变及位移模式^[5]。该研究旨在提出一种可测量三维位移区域的方法并使用高密度地面激光扫描仪点云来判断滑坡体变形模式，以便推动该方法大量适用于大规模位移和坡体形态监测。对于该滑坡，通过应变分析，研究人员探测到局部地区展现出不同变形模式。其研究得出的变形结果与使用icp算法及dgps测量得出的变形结果基本相同。 rong jun qin和armin gruen研究了三维激光扫描技术应用于街面变化监测。他们结合三维激光扫描技术和基于图像的移动测绘系统（mms）技术（前期使用三维激光点云数据，后期使用地面图片），并使用新的算法来探测不同时期街道景观变化，如城市基础设施管理及损坏监测，同时更新街面数据^[6]。这一研究对数字化城市建设具有很大意义。

国内很多研究人员也对三维激光扫描技术进行边坡监测作了相关研究工作。赵小平与闫丽丽等人利用三维激光扫描技术对边坡进行变形监测研究，他们首先用基于区域的分 割方法对深度图像分割, 用标志点匹配法进行点云数据匹配, 然后利用滤波方法对点云数据进行简化, 最后利用迭代最近点法(icp算法)进行点云拼接。以某边坡的实际监测数据为例, 采用 trimblegx200三维激光扫描仪获取点云数据, realworksurveyadvanced扫描数据处理软件获得dem数据^[7]。

姚艳丽等研究了地面三维激光扫描技术的滑坡模型监测与预测。他们，运用地面三维激光扫描仪获得滑坡模型的点云数据，对采集数据处理后提取特征点的三维坐标，然后利用灰色模型对特征点三维坐标的位移进行预测，最后对实测值和预测值进行比较，得到灰色预测理论建立的滑坡控制点三维位移模型拟合的效果很好，拟合精度非常高^[8]。说明灰色模型可以较准确地预测滑坡在今后一段时期内的位移变形量，为环境灾害部门提供重要的信息，从而及时做出相应的决策。

为解决传统基坑监测技术无法对基坑整体变形进行有效分析的问题，葛纪坤与王升阳提出地面三维激光扫描技术应用于基坑监测的方法。该方法使用leica scanstation c10型扫描仪获取大量基坑围护墙体的点云数据，经过点云处理并建模，采用geomagic studio软件对点云模型进行变形分析，得到基坑围护墙体的3d整体变形和2d局部变形^[9]。通过和传统的测斜数据进行对比，两种监测技术在变形量上有较大偏差，对产生偏差的原因进行了简单的分析。通过对基坑模型的分析，可以有效地更加全面地了解基坑变形信息。

3. 研究的基本内容与计划

1.研究内容

1)focus 3d三维激光扫描仪与geomagic软件的操作使用。

2)利用scene研究边坡监测过程中的点云数据处理方法和流程，包括点云的拼接（利用标靶的拼接、人工选择同名点的拼接、多站拼接）、滤波（移动窗口滤波法、迭代线性最小二乘滤波法、基于坡度的滤波方法等）、简化（等间距均匀简化、倍率简化、包围盒法简化等）、生成dem等。

4. 研究创新点

特色：掌握并熟练Focus 3D三维激光扫描仪与Geomagic软件的操作使用，利用Scene研究边坡监测过程中的点云数据处理方法和流程，包括点云的拼接（利用标靶的拼接）、滤波（移动窗口滤波法）、简化（等间距均匀简化、）、生成DEM，并将两期的数据建模分析比较，得出边坡的变化规律，及时采取相应的防护措施。

创新：在系统误差改正时，利用ICP迭代的系统误差改正方法和利用平面特征的改正方法，并对平面特征改正法进行了改进：解算旋转参数时，采用将所有平面一次代入的方式，解算更简单方便；在平移改正时，利用平面交点的平移改正方式避免了平面不正交带来的影响。