摘要：一种新的全系统应变监测技术在近些年应用广泛，即三维激光扫描技术。它不仅可以应用于地质灾害的动态监测，同时也改变传统的单点应变监测方法。考虑到测量精度高、跟踪速度快、测试对象数量多，研究三维激光扫描在地质风险动态监测中的可行性。

　　关键词：三维激光扫描；变形监测；点云数据

　　地质灾害是由各种各样不同的地质过程产生的，并且会对国家建设和人类生命造成很大的危害。目前最为常见的地质灾害包括山体滑坡、地面崩塌、土地面下沉、泥石流、土壤裂缝、土壤冻结、侵蚀等。地质灾害往往导致环境退化、基础设施破坏、人员伤亡，严重的甚至会造成二次灾害，造成更大的生命损失和物质损失。因此，对于地质风险的动态监测必须不断加强，管理危险体的动态变形，对于危险体的稳定性也要不断分析和预测。拥有科学的依据以及可靠信息可以制定一个地质风险管理计划。全站仪、GPS等用于监测多点运动或单个监测器的裂缝等方法作为传统的地质灾害监测方法。这种方法的局限性在于，它只能跟踪某个位置上单个点的运动。地质性质或变形过程不能通过实测值反映，实测值仅代表局部变形。为了使监测极为精确，寻找有效、实用、节省时间和节省工作的监测工具已成为监测地质危险的一个重要主题。近年来，科学技术也是处于不断发展的过程当中，该领域的测绘技术已经成功地引入三维激光扫描技术。本文介绍三维激光扫描的应用现状，简要介绍三维激光扫描技术，重点介绍三维激光扫描在地质风险动态监测中的应用。三维激光扫描是一种不需要接触测量的技术，可以更加有效、可靠地获取信息。

　　1三维激光扫描技术应用现状

　　自从国内外GPS技术革命以来，测量以及绘图行业已经引进三维激光扫描。另一方面，术语“实景复制”的创造，则是因为三维激光扫描可以快速提供准确的数据，并直接建模被扫描的数据对象。在每个点上获取数据(xi、ym、zn)，可以通过较不复杂的操作在后期提高数据的可靠性和完整性。在改进的三维激光扫描能力的基础上，开发一个完整的三维激光扫描系统，包括激光扫描和激光测距系统、ccd摄像机、维护系统和测量系统。在特殊工作中，整个系统基于同一平台，在软件支持下实现多个传感器的集中管理。

　　2三维激光扫描技术简述

　　三维激光扫描是一种先进的“实时复制”技术。被测物体的自动立体扫描提供物体表面的三维坐标和图像数据，易于跟踪。测量精度高，测量点的数量比全站仪或GPS监控技术要高出许多。可以基于三维数据点创建单独的三维模型数据字段。这有效地避免前一个点数据分析中点代数分析方法的局限性和碎片化。相反近景摄影测量的跟踪测量技术,虽然不能够是一个连续三维数据模型,但是对于后期更容易和更快处理数据和控制对象的精确三维数据模型都可以生成。这比近距离摄影要有效得多。

　　利用三维激光扫描技术对地质灾害进行动态监测，不仅可以准确地解释局部监测区域地质灾害的变化趋势，而且还可以进行大规模的地质灾害分析。同时还可以从地表获得精细的变形数据，并且可以对数据进行建模。分析整个变形范围内的动态变形数据，恢复动态变形过程。从而将灾害体的变形发展规律精准把握，提前预测和预防灾害，避免灾害的发生，对于人们的生命财产有着较强的保障效果，再加上三维激光扫描技术的实用性价值和数据处理能力较强，通过构建相应的地质灾害模型，能够有效地帮助地质灾害监测部门进行相关地质灾害的规避与风险排除，辅助相关地质灾害避险工作的开展。

　　2.1三维激光扫描技术的特点

　　高效率和高精度：三维激光扫描系统的地面测量可以有效地工作和快速访问被测形状表面的大量点数据，以获得更高的点云扫描数据密度。在扫描过程中，操作员可以使用软件设置扫描间隔。在这种情况下，扫掠间隔越短，扫掠曲面所需的时间越长。扫描仪本身的测量精度决定精度上限。非接触式：三维激光系统扫描地面而不接触被扫描的物体。这一优势使避免危险区域和保证人身安全成为可能。精准性：在监控区域，有关于整体移动的信息，即云图的移动。利用云图可以直观、清晰地确定滑坡的位移。智能电位：三维激光扫描系统快速扫描数据，采集的三维数据具有实时动态特性。同时对于测量员工的技能水平、工作经验和情绪能量是不受任何影响的，而且即使处于光线不足的夜间，仍然可以检测到，这对于工作效率有着很大的提升。操作人员的脑力劳动由于该设备的智能化性质大大地减少，同时测量站人员的工作也有着一定程度的简化。数字化、自动化：激光扫描系统不仅可以直接接收目标距离的信号，还可以轻松控制扫描过程，自动显示输出结果。兼容性：内置GPS跟踪系统和地面三维激光系统。通过转换扫描软件的内部坐标，可以从监控所需的各种坐标下载点云的三维坐标。

　　2.2劣势和不足

　　一般来说，三维激光扫描仪在市场上作为昂贵的仪器售卖，属于高端仪器和设备市场。目前，我国没有三维激光扫描仪的产品标准和校准规范，相关设备的产品性能指标也无法得到科学验证。在实际测量过程中，很难确定设备是否达到标称精度。不同制造商的数据处理软件与不同形式的数字数据处理不兼容，这给数据处理和点云建模带来很大的困难。当同时收集多个驱动器的数据时，由于波动而产生的阴影，测量交换驱动器时的错误，合并扫描数据时的错误等。这些错误可能会影响模型的准确性。在一定程度上影响三维激光扫描仪在相关地质灾害和工程建设中的实用性，甚至说许多情况下三维激光扫描仪的应用与实际效果达不到人们所需要的标准，三维激光扫描仪在如今市场发展之下相关的产品标准与标准规范未进行相应规定的问题。除相应产品的设计与实际应用存在相应的劣势之外，对于相关昂贵仪器的维修与售后处理许多售卖厂家也难以保障，本身三维激光扫描仪的精度要求和专业性要求较高，对于三维激光扫描仪这一仪器的应用以尚处于探索阶段，由于工作人员的不当操作或者是数据处理的不准确，往往会出现一些由于操作不当而体现的工作突发状况或是数据遗失问题，但是这些问题受限于数据处理软件和相应联网技术信息的收集，更多时候都难以对这些问题进行有效解决，制约三维激光扫描仪在实际生活和工程设计当中的实际应用。

　　3三维激光扫描技术在地质灾害监测中的相关应用3.1三维激光扫描技术在滑坡监测中的困境

　　滑坡通常发生在山区，地形又大又复杂，需要多次扫描，数据收集也相当困难。有许多山体滑坡和植被覆盖，点云数据噪音大，影响点云数据的质量。在监控过程中，检查点和扫描仪之间的可见性仍然是必要的，这大大降低了现场配置的自由度。再加上地质滑坡灾害发生后，原本呈现的地形状态和空间平面地图就已经不再具备相关的参考成果，复杂多变的地形环境为三维激光扫描技术带来了许多挑战，对于滑坡灾害发生之后的落差地形、隐藏地貌、裂缝峡谷等等特殊地貌地形的监测效果都有着较大的影响。再加上这些不良的地貌因素之下对于三维激光扫描装置的仿制与应用也带来了相应的局限性，所以在对滑坡自然灾害的监测当中就要优化三维激光扫描技术，对于隐藏地貌等特殊地形的数据模型，提高三维激光扫描技术对于相关数据的测量精度，优化三维激光扫描技术装置的放置条件和应用状态，使得该技术的实用性和应用价值变得更高。

　　3.2在滑坡监测中应用三维激光扫描技术的方法

　　3.2.1数据获取布设控制点和监测点

　　徕卡三维激光扫描仪Leica ScanStation 2作为一种高速、高精度的激光扫描仪，结合了许多不同的特点，以适应不同的测量项目，如工程、地形和建筑。单点测量精度6mm(50m测距)，有效测量范围300m，模型表面精度±2ram。通过三维激光扫描，可以获得密度物体的三维坐标、反射率和表面纹理。对于使用三维激光扫描仪收集数据，控制和控制点根据三维激光扫描的特点和处理获得的数据的要求设置。控制点的设计不同于传统的失真控制方法。考虑到有效范围不同的扫描仪和多个电台的数据记录要求,建立检查点控制措施时必须考虑到上述和坐标系的数字化数据,以协调和对多个监测站的数据被记录。控制点和监测点不能放在同一条线上或平面上。

　　3.2.2数据采集方法

　　从三维激光扫描仪获取目标数据有两种方法：全局采集和局部采集。在整个采集过程中，扫描仪采集预先设定的公共点或目标数据，然后使用后处理软件组建测试站。该方法可以对目标进行全局扫描，从目标的激光点云中获取三维数据。通过在基准站安装三维激光扫描仪进行现场采集，然后在特定区域进行三维扫描。在使用前，根据设备的位置条件和性能参数，规划参考站之间的距离和扫描点的密度，以确保扫描点有一定程度的重叠。然后，数据点通过常规交点和对齐点传输三维坐标。

　　3.2.3数据分析与处理

　　用于专业三维激光扫描数据处理的数据整理软件。处理步骤主要包括：点云数据去噪、点云数据拼接缝合、坐标变换、点云数据建模和三维分析比较。当使用全局获取方法时，相邻的站点必须通过一个公共点或一个预先布设的公共点相互连接，以便所有站点的所有点云数据都集中在同一个坐标系统中。在使用局部获取方法时，不需要在任何位置合并云数据，也不需要避免点云数据的错误。当使用三维激光扫描仪收集数据时，不可避免地会产生一些未使用的音频数据。这时为了减少数据的冗杂，需要使用专业软件消除点滑块上的数据噪音。对于扫描点捕获数据，GPS可用于测量三个或更多已知点，并将三维扫描数据转换为本地坐标。因此，从扫描点收集的数据将组合在同一坐标系中。它们用于数据比较和三维建模。分析和比较处理软件扫描的点云数据，可以立即以不同颜色显示失真区域，用于宏观失真分析。确定不同测量周期中目标中心和测量点的测量值，在计算两个相邻测量周期内测量值之间的差异时，应分析测量点的水平和垂直位移的变化。从微观角度促进变形分析。

　　4将地面三维激光扫描仪用于监测地质灾害的准备工序4.1确定监测物通过扫描监测滑坡体来完成

　　三维激光扫描仪在地面上的每一次扫描都能从被扫描物体表面的不同位置获得数据。扫描点越多，物体表面的融合度越高。云数据处理不是在一个点上执行，而是在一组点上执行。研究人员还提出几种算法。采用三维激光扫描技术对滑坡进行监测，并在滑坡内建立扫描控制站。这些点的坐标将转换为GPS站的坐标。地面三维激光不均匀地扫描测量点，是因为测量没有固定的目标。固定点数据不能包括GPS数据。开发一种从变形控制块中提取点数据的算法，用三维激光扫描监测和处理山体滑坡。但是这个算法要求控制块必须是球形或圆形，或者至少是平面。如果不手动调整控制块，很难满足这一要求。为了最大限度地提高采样点云的计算失真，有必要确定该点的名称，并从每个周期的采样点云数据中计算坐标。一种根据形状、大小、颜色、纹理等特征来识别大目标块的方法。点云数据提供的音调和其他特征。这些目标块体的选择有两种方式：在大多数滑坡中，大量岩石裸露，其几何和物理性质明显。这些石块可以被识别为个体。如果滑坡很容易暴露在地面上，并且没有合适的位置进行人工监测，则滑坡基本可以识别。

　　4.2坐标的计算

　　将上述选定的测量对象视为均匀材料的物质，并计算落在测量对象上的点云中心的三维坐标，以获得必要的同名点。与GPS和全站仪不同，它直接测量三维测量点的数据，并通过计算三维激光扫描获得的同一点的三维坐标。这些监视器的数量超过测量GPS和全站仪所需的检查点的数量。尽管需要手动实现监视对象，但只需要布设易于识别且快速的对象。

　　5工程实例

　　5.1工程概况

　　要想了解采矿过程中滑坡的发展变化趋势，外部滑动运动的动态监测至关重要，由于滑坡范围大，坡度陡，之前采用的全站仪或GPS进行监测，往往会造成工作压力大，并且精度低，在操作时也有很大的困难。为了保证测量精度和控制成本，在检测和监测数据采集时应使用三维激光扫描技术。为进一步预测矿体滑坡奠定基础。

　　5.2基准点布设

　　为比较公共坐标系统中测量点的数据，为滑块周围的测量站的设计和位置设置参考点。一个稳定的日期选择位置外的滑坡，每个点都是可见的。总共有三个测量点，都是用水泥浇灌观测墩埋石，并设置一对强制性的对中标志，测量点的坐标是用GPS测量的。同时，以邻近国家的第2级水准点为起点，根据二级精度要求，使用闭合水准的方式共同测量高度。

　　5.3数据采集

　　5.3.1设站

　　三维激光扫描仪安装在参考点的观察墩上，将扫描仪的特定目标扫描到另一个参考点，以确定扫描方向。在操作过程中，首先检查目标的扫描和记录状态，当标注差异满足设计要求时进行扫描。一系列操作完成后，检查扫描仪是否处于平坦的地面，观察目标是否进行再次移动。如果扫描过程中发生变化，则必须重新扫描，以确保扫描结果符合准确性要求。

　　5.3.2扫描

　　设置扫描精度、主距离和扫描区域，并运行扫描命令以检索点射击数据。要想检索透镜信息自动确定测量点的坐标，可以通过使用测量点分配给扫描仪的透镜来完成。通常若是需要进行高分辨率表面扫描，则是出现光线和物体之间的对比度不符合扫描仪要求的情况出现。

　　6展望

　　鉴于未来的实际工程应用，以下问题需要进一步改进或完善。

　　(1)数据采集的盲区问题。在扫描过程中，由于激光源的低反射率和特殊材料的灵敏度，扫描区域会存在一定的盲区。因此，扫描结果不仅受到潮湿表面的影响，也受到绿色植被的影响。所以未来的激光扫描技术对相关地质灾害进行监测的实际应用时，既要保证激光扫描在扫描过程当中采集到关于监测地质灾害所需要的相关数据内容，又要使得扫描有意识地排除一些不良的干扰因素，包括不同地形和绿色植被的影响。具体研究和调整的方向需要向提高激光扫描对于数据的处理能力，提高激光扫描的数据灵敏度等方向进行。

　　(2)扫面距离远近的影响。三维激光扫描仪主要根据激光的特性工作。距离的远近直接影响测量点的精度，导致测量点扫描体积量的变化。这一问题的主要核心因素是激光在不同体积比例程度之下呈现的体积变化波动过大的问题，所以在保证激光发射稳定准确的前提之下，还要增设激光扫描过程当中不同的比例尺度，帮助激光扫描技术适用于各种高度，各种平台来完成对于地质灾害重要信息的监测，这都需要相关技术人员在激光扫描的系统当中录入更多不同地区因素和不同天气条件下对于激光的影响效果，使得最终呈现的数据变得更为客观准确。

　　7结论

　　地质灾害三维激光扫描动态监测是对传统监测方法的补充和扩展，大大提高监测的效率和准确性。实践证明，这种方法可以大大改善检查员的工作环境。提高生产率，降低劳动强度，缩短检查员的检查周期。三维激光扫描动态地质灾害监测的缺点是：灾区以山区为主，地形复杂，范围广，数据采集困难。监测山体上植被较多，点云噪声较高，影响点云数据的质量。这大大限制监测站的自由度。因此，考虑到动态地质风险监测的优点和缺点，以高精度和高效率执行各种动态监测任务是至关重要的。