三維激光掃描監(jiān)測-技術方案

1、大渡河猴子巖水電站開頂變形體三維變形監(jiān)測技術方案四川大學二八年二月第 1 章 概 述 -1 -1.1 工程概況 -1-1.2 三維激光掃描 -1-1.3 主要研究內容 -2-第2章現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理 -3-2.1 現(xiàn)場掃描 -3-2.2 數(shù)據(jù)處理 -4-第3章危巖體初步勘察 -5-第4章三維變形監(jiān)測分析 -7-4.1 三維變形監(jiān)測 -7-4.2 變形破壞模式分析- 8 -4.3 現(xiàn)場變形破壞輔助分析- 9 -第 2 章 現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理第 1章 概 述1.1 工程概況開頂變形體位于丹巴縣格宗鄉(xiāng)開繞村大渡河右岸，省道S211 K9+000-K9+380 段。變形體橫河方向長度約460m，順

2、河方向長度約490m，變形深度平均25m，總體積約400 萬 m3。該變形體淺表部為崩坡積層大孤石塊碎石土，下伏為志留系綠片巖，含有千枚巖，巖層內有層間擠壓破碎帶。巖層產(chǎn)狀為N30° W/NE 45°55°，為縱向谷順向坡。該變形體為基巖順層滑移拉裂變形。1-1 開頂變形體全貌1.2 三維激光掃描1. 原理三維 (3D)激光掃描技術又稱為“實景復制技術”， 是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術新突破。它是利用激光測距的原理，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、 高分辨率地快速獲取物體表面各個點的坐標（x， y， z

3、）、反射率、顏色（R， G， B）等信息（圖1-2、 1-3），由這由這些大量、密集的點信息可快速復建出1:1 的真彩色“實景復制 ”模型，為后續(xù)的內業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供準確依據(jù)。1-2 果三維激光掃描示意圖1-3 三維激光掃描工作原理示意圖2. 功能由于三維激光掃描技術能夠高精度（毫米級）、高密度（點云間距5-10 mm）、快速 （10min/次 ）地獲取掃描對象空間信息，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，該技術也被稱為從單點測量跨越到面、體空間測量的革命性技術突破。它完全顛覆了傳統(tǒng)的工程建模與量測的模式： 工程建模方面，完全顛覆了設計圖紙 產(chǎn)品的過程，真正實現(xiàn)了對象點云 實景模型的逆向化建模

4、過程，這使得繁雜、龐大、 抽象的工程（或自然）對象變得具體、精細、可感知；工程量測方面，使傳統(tǒng)的點、線、面一二維量測升級到三維的體、場量測。1.3 主要研究內容本項目通過先進的三維激光掃描技術精確獲庫岸邊坡變形體的整體空間信息，通過不同時間段空間信息的對比分析，監(jiān)測并研究變形體三維變形時空演化規(guī)律，形成預警機制，結合現(xiàn)場地勘、監(jiān)測數(shù)據(jù)，論證邊坡推覆型滑坡是否形成，輔助判斷變形體失穩(wěn)模式、發(fā)展狀態(tài)及失穩(wěn)風險，并為邊坡安全控制及永久治理提供輔助決策。掃描頻率初定為7 天， 可根據(jù)現(xiàn)場需要進行有效調整，例如在前期許對危巖體變形狀態(tài)進行加密監(jiān)測，在應急搶險完成后的永久加固和觀察期，掃描頻率可降低為一個

5、月一次。成果提交方式包括：1、邊坡整體三維變形場可視化分布圖，包括順河向位移場、橫河向位移場、豎直 向位移場、整體位移場等。2、典型或突變區(qū)域三維變形及其演化規(guī)律分析；3、結合現(xiàn)場地質勘探、多重監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析邊坡失穩(wěn)模式失穩(wěn)風險，失穩(wěn)預測 及預警。第 2 章 現(xiàn)場三維掃描數(shù)據(jù)處理2.1 現(xiàn)場掃描采用瑞格VZ-400( RIGEL VZ-400)三維激光掃描儀對變形體所在區(qū)域進行現(xiàn)場三維激光掃描。結合圖1-1 及其現(xiàn)場踏勘情況，采用移動式掃描測站的布設方式，沿省道改線公路自下游往上游共布置監(jiān)測點20 站，為了保證精度，采用間隔布設控制點組的方式，每組控制點3 個，布置3 組，共 9 個控制點，

6、如圖2-1 所示。2-1 監(jiān)測點位布設示意圖2.2 數(shù)據(jù)處理首先需要對掃描數(shù)據(jù)進行拼接，采用改進ICP 法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速拼接，提高拼接精度。 數(shù)據(jù)拼接時先對控制點所在區(qū)域數(shù)據(jù)進行精確拼接，然后將非控制區(qū)域數(shù)據(jù)按距離拼接到最近的控制區(qū)域內，最后對整體數(shù)據(jù)進行多站點平差。如圖2-2 所示，控制拼圖 2-2 拼接精度示意圖接精度 2mm 以內。三維掃描獲取的三維點云包含噪點和一些不必要的信息，在數(shù)據(jù)使用前需對其進行預處理?；覊m、內部機械震顫等都會使掃描點云產(chǎn)生少量噪點，需將其刪除。對于灰塵產(chǎn)生的噪點一般都處在掃描鏡頭前方少量范圍內，直接將其刪除即可。機械震顫產(chǎn)生的噪點也叫孤點，指的是以該點為球心的

7、一定范圍內沒有其他點信息的點，通過MpatekI-Site studio 軟件內置的算法將其刪除即可。在變形體所在區(qū)域的邊坡上存在大量的植被，對在S211 省道施工區(qū)掃描過程時，也不可避免的會將施工機械、堆積物、施工人員等不必要的信息包含在實驗區(qū)內，可采用自主開發(fā)的地形過濾的方式，采用保留最低點的算法將其剔除，圖2-3。圖 2-3 植被剔除示意圖7 / 9經(jīng)過濾后的點云可以通過三角曲面構網(wǎng)，采用Delaunay算法，先對每個采樣點搜第 3 章 危巖體初步勘察尋可能的鄰近點，采用最大內角最小化原則連成三角面片凸包，形成一個初始三角網(wǎng)；在此基礎上逐個加入其它離散點生成最終的三角網(wǎng)，圖2-4。2-4

8、 變形體區(qū)域三維模型示意圖第 3 章 危巖體初步勘察由于三維激光掃描數(shù)據(jù)覆蓋了整個變形體區(qū)域，也就獲取整個山體內的露頭危巖體。通過辨識，可以圈定主要危巖體分布情況，如圖3-1 所示。危巖體危險性初步評價：根據(jù)考慮危巖體的結構尺寸及分布特征，結合現(xiàn)場地勘綜合判斷危巖體初步判斷危巖體的穩(wěn)定性，表3-1 所示。3-1 變形體分區(qū)及危巖體分布示意圖表 3-1 危巖體主要尺寸及危險性評價9 / 9第 4 章 三維變形監(jiān)測分析第 4 章 三維變形監(jiān)測分析4.1 三維變形監(jiān)測采用三維實景復制模型的空間差值算法，計算變形體三維變形量值，以沉降、 向山體內側變形為正，以向山體外側變形為負，并用顏色梯度代表變形大小，形成三維變形場，結果如圖4-1 所示。根據(jù)多期差值計算結果，研究變形區(qū)域的三維變形場演化情況，如圖4-1b 所示。a)三維變形場分布示意圖，單位：m14 / 9b）三維變形場演化規(guī)律，單位：m4-1 開頂變形體三維整體變形分布及演化規(guī)律示意圖4.2 變形破壞模式分析結合開頂變形體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、前期地質勘探和現(xiàn)場變形破壞現(xiàn)象等相關數(shù)據(jù)與成果分析，對開頂變形體的變形破壞模式進行推測分析，如圖4-2 所示。