一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法。包括：使用多套三维激光扫描仪在不同控制点采集土石坝坝面点云数据；相邻扫描区域重叠30％面积；使用点云数据分析程序对数据进行解算和拼接；基于三角网曲面建模方法分别对获得的点云数据进行网格化，得到高分辨率的坝体数字高程模型；选出待比较的两期坝面数字高程模型，对同名点进行位移计算分析，得到坝面变形实时信息。本发明专利技术充分利用三维激光扫描技术的优势应用于土石坝的变形监测，获取三维激光扫描仪高密度的坝面点云数据实现全域微形变无接触感知；通过对施工期不同时段建立的全面实景模型进行对比，更全面的更直观的监测坝面的变形趋势。更全面的更直观的监测坝面的变形趋势。更全面的更直观的监测坝面的变形趋势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法


[0001]本专利技术属于岩土工程变形监测
，具体为一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法。

技术介绍

[0002]随着我国水电工程的不断发展，坝工技术尤其是土石坝变形监测技术，积累了丰富的经验。在三维整体全面监测等方面，都有着长足的进步。同时，基于现场监测、数值仿真以及室内试验等不同手段，更加深入的研究了土石坝的变形演化规律。但是，土石坝整体及坝面三维协调变形机理等仍存在问题。传统的监测手段只能针对少量点的变形进行监测，无法精确完整的反映出土石坝整体三维变形情况，存在着较大的局限性。
[0003]现有的监测手段采用传统的单点式监测，无法实现全面整体监测建立全面成体的实景模型，很难真实反映现场土石坝坝体的整体坝面变形情况；且监测手段施工复杂需耗费大量人力物力。
[0004]因此，针对用于土石坝变形监测技术的研究有待进一步深入探索。

技术实现思路

[0005]本专利技术根据现有技术的不足公开了一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法。本专利技术目的是提供一种利用三维激光扫描技术建立土石坝实景模型，能够实现全面整体监测，实时反映现场土石坝坝体的整体坝面变形情况的坝面变形监测方法。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法，其特征在于包括以下步骤：
[0008]S1.使用多套三维激光扫描仪在不同控制点采集土石坝坝面点云数据；相邻区域的三维激光扫描仪之间设置30％区域面积的重叠扫描区域；
[0009]S2.使用点云数据分析程序对所获取的数据进行解算和拼接；
[0010]S3.对比分析不同时期的点云数据分析获取坝面变形信息，包括：
[0011]S301：建立模型；基于三角网曲面建模方法分别对步骤S2获得的点云数据进行网格化，得到高分辨率的坝体数字高程模型；
[0012]S302：坝面数据模型对比；选出待比较的两期坝面数字高程模型，以前期模型为参考，后期模型作为样本，对参考模型与样本模型中的同名点进行位移计算分析，得到坝面变形实时信息。
[0013]进一步所述步骤S1中采集土石坝坝面点云数据包括：
[0014]S101：选择控制点，在所选观测点位置修建用于架设三维激光扫描仪器的控制桩，以控制桩中心点坐标作为观测点坐标；
[0015]控制点设置应大于4个，至少在土石坝上下游坝面、左右坝肩设置控制点；要求：(1)符合重叠扫描30％区域的要求；(2)遮挡区域、入射盲区最小化；(3)控制点位于易发生变形或易受工程震动、扰动区域；
[0016]S102：建立观测网，在步骤S101中所建立控制桩上架设载波相位差分技术(RTK)测量仪，以2个观测控制点作为基准点，在同一坐标系中进行求差解算，依次标定其他观测控制点坐标，建立观测点坐标网络；
[0017]S103：扫描数据，在坝体填筑区以外稳定区域设置粘贴至少3个靶标作为基准点，将同期不同站点的扫描数据保存到一个文件中。
[0018]所述步骤S2中对数据解算和拼接包括：
[0019]S201：导入数据，包括：(1)导入步骤S1中扫描获取的同一期三维激光点云数据到三维激光处理软件中；(2)导入步骤S102标定的观测点坐标到三维激光处理软件；利用三维激光软件完成扫描仪内部坐标到大坝观测点坐标的注册；
[0020]S202：处理数据，删除点云数据中无关点，对获取的数据进行多站点平差配准处理：利用步骤S103中的至少3基准点进行初次拼接，初次拼接完成后利用步骤S101中重叠公共区域进行精确拼接，公共区域同名点间距平方和最小的ICP法，不断迭代，寻求最佳变换矩阵，通过调整“搜索距离”参数逐步提高对齐精度；
[0021]获取有公共区域的两站点云分别为公共区域点云集M；x
i
和y
i
表示点云坐标，N
x
和N
y
表示点云数量；R
n
，T
n
为两站点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵；其算法流程如下：
[0022](1)根据公共区域点云集使得Y中M区域经过第n次旋转举证和平移矩阵R
n
，T
n
迭代计算后与对应的X中同名点距离最短。解算平移旋转矩阵即取最小值得解；
[0023](2)X
n+1
＝R
n
X
n
+T
n
；迭代结束信号为当ω(R
n
，T
n
)
‑
ω(R
n+1
，T
n+1
)≤σ；
[0024]S203：导出数据，将步骤S202中经过预处理、初拼和精拼后的数据导出；提取出表征坝面特征的点云数据，数据坐标基于步骤S202建立的观测网坐标系。
[0025]所述步骤S3对比分析不同时期的点云数据分析获取坝面变形信息是将步骤S102所测不同时期的点云数据采用控制点坐标不变，即不同时期获取的数据处于同一坐标系下，通过直接比较两期或多期数据获取坝面变形信息。
[0026]在实际工程监测过程中，两期监测点云数据时间较近时，坝面变形值过小受载波相位差分技术(RTK)测量仪精度的影响。为提高坝面变形分析精度，提出改进的内业数据处理方法。基于载波相位差分技术(RTK)测量仪注册过的第i期点云数据Z
i
组其分为变形区D
i
(坝面和填筑区等填筑期间会发生明显变形区域)和非变形区F
i
(假定坝体两岸边坡及山体不会变形或变形量极小)，如图4。将注册到同一坐标系不同期的点云数据进行分区处理后基于非变形区F
i
作为重叠公共区域点云集M生成poly data，对两期点云数据Z
m
和Z
n
高精度的平差配准处理，具体过程类似S202。基于对坝体两岸边坡及山体不会变形的假定，对比分析经上述处理后的两期变形区域D
m
、D
n
获取高精度的实际坝面变形信息。
[0027]所述步骤S3中对参考模型与样本模型中的同名点进行位移计算分析，得到坝面变形实时信息包括：
[0028]通过下式计算位移值：
[0029]其中，参考坝面上点A坐标为(A
x
，A
y
，A
z
)；样本测试坝面同名点B坐标为(B
x
，B
y
，B
z
)；AB位移向量为v(C
x
，C
y
，C
z
)；其中C
x
＝B
x
‑
A
x
，C
y
＝B
y
‑
A
y
，C
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法，其特征在于包括以下步骤：S1.使用多套三维激光扫描仪在不同控制点采集土石坝坝面点云数据；相邻区域的三维激光扫描仪之间设置30％区域面积的重叠扫描区域；S2.使用点云数据分析程序对所获取的数据进行解算和拼接；S3.对比分析不同时期的点云数据分析获取坝面变形信息，包括：S301：建立模型；基于三角网曲面建模方法分别对步骤S2获得的点云数据进行网格化，得到高分辨率的坝体数字高程模型；S302：坝面数据模型对比；选出待比较的两期坝面数字高程模型，以前期模型为参考，后期模型作为样本，对参考模型与样本模型中的同名点进行位移计算分析，得到坝面变形实时信息。2.根据权利要求1所述的基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法，其特征在于：所述步骤S1中采集土石坝坝面点云数据包括：S101：选择控制点，在所选观测点位置修建用于架设三维激光扫描仪器的控制桩，以控制桩中心点坐标作为观测点坐标；控制点设置应大于4个，至少在土石坝上下游坝面、左右坝肩设置控制点；要求：(1)符合重叠扫描30％区域的要求；(2)遮挡区域、入射盲区最小化；(3)控制点位于易发生变形或易受工程震动、扰动区域；S102：建立观测网，在步骤S101中所建立控制桩上架设载波相位差分技术(RTK)测量仪，以2个观测控制点作为基准点，在同一坐标系中进行求差解算，依次标定其他观测控制点坐标，建立观测点坐标网络；S103：扫描数据，在坝体填筑区以外稳定区域设置粘贴至少3个靶标作为基准点，将同期不同站点的扫描数据保存到一个文件中。3.根据权利要求2所述的基于点云数据的土石坝填筑实时坝面变形监测方法，其特征在于：所述步骤S2中对数据解算和拼接包括：S201：导入数据，包括：(1)导入步骤S1中扫描获取的同一期三维激光点云数据到三维激光处理软件中；(2)导入步骤S102标定的观测点坐标到三维激光处理软件；利用三维激光软件完成扫描仪内部坐标到大坝观测点坐标的注册；S202：处理数据，删除点云数据中无关点，对获取的数据进行多站点平差配准处理：利用步骤S103中的至少3基准点进行初次拼接，初次拼接完成后利用步骤S101中重叠公共区域进行精确拼接，公共区域同名点间距平方和最小的ICP法，不断迭代，寻求最佳变换矩阵，通过调整“搜索距离”参数逐步提高对齐精度；获取有公共区域的两站点云分别为公共区域点云集M；x
i
和y
i
表示点云坐标，N
x
和N
y
表示点云数量；R
n
，T
n
为两站点云数据集间的第n次旋转矩阵和平移矩阵；其算法流程如下：(1)根据公共区域点云集使得Y中M区域经过第n次旋转举证和平移矩阵R
n
，T
n
迭代计算后与对应的X中同名点距离最短。解算平移旋转矩阵即取最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：张溥文，肖培伟，杨韩刚，杨兴国，毛舒娅，曾昭高，李海波，戚顺超，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：