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摘要：本文着重介绍工程测量领域激光扫面的应用原理和技术路线，基于激光扫描技术探讨其在地质测量滑坡监测中的应用，分析了激光扫描技术的实际应用功能、途径和可行性，以及激光扫描测量中的误差分析与处理。
关键词：激光扫描；地理信息；滑坡监测；测量误差
中图分类号：[P258]文献标识码：A
1 引言
面对严重的滑坡灾害，对其完全治理存在资金不足、技术力量薄弱等困难，开展滑坡监测己成为预防滑坡灾害的主要途径。滑坡监测是地质灾害防治的重要手段，其目的是通过一定的监测仪器或监测手段对已知的地质灾害体进行形变、位移、地下水动态、应力状态等特征进行测量，分析、了解地质灾害体的变形、位移状态及趋势，为地质灾害防治决策以及预报预警提供定量的数据。
而在20世纪90年代中期出现并发展起来的三维激光扫描技术，与传统的滑坡监测技术相比，具有无需事先埋设监测设备、无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够反映坡体的总体变形趋势等特点，更可以快速获取高密度、高精度的三维点云数据，经数据处理及建模后可以得到整个坡体地表的变化信息，对监测结果进行研究并掌握其变形发展规律，开展滑坡灾害预报，可以使生命财产的损失降到最低点。
2 激光扫描的应用技术路线
地面三维激光扫描技术的应用技术路线和处理流程大致可以分为扫描计划制定、外业数据采集和后期数据处理等部分（见图1），下面主要结合激光扫描在滑坡监测中的应用为例讨论数据采集及处理过程。
图1 数据采集和处理流程
2.1扫描计划制定
制定详细的工作计划应首先明确扫描对象，可以进行现场踏勘，采集影像、做好观察记录，其次，根据扫描对象、扫描仪的性能确定扫描采样分辨率、设计合适的扫描路线、确定设站和标靶位置。
滑坡监测主要是要采集地形变化的数据，要考虑实际地质条件等因素来制定详细的计划。
2.2外业数据采集
外业工作主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等。现场扫描标靶时把各标靶编号，利于后期处理，同时使用GPS测量3个以上的标靶的坐标，以便于后期的扫描坐标系和绝对坐标系的转换。
根据滑坡监测的需要，扫描过程分为：布设、场景扫描、精扫三个部分。分述如下：
布设：首先对滑坡地点进行现场的踏勘，根据它的位置、大小、形态，确定扫描方案，布设相应的点位。
滑坡体的场景扫描：将选好的扫描仪架设在布设的点位上，调整仪器的姿态，扫描过程利用软件控制，进行扫描。
精扫：重新设置扫描参数和点间间距，对标靶处进行精细扫描。相同的控制标靶在不同的测站时的中心位置必须一致，这样才能将各站扫描的点云统一到同一个坐标系统之下。
2.3内业数据处理
后期数据处理是整个作业过程中最重要也是工作量最大的一环，处理软件采用三维激光扫描仪的配套软件Cyclone。Cyclone能够管理海量数据，并能依据标靶或点云实现点云拼接、数据分块处理和管理功能，可根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等几何体，并自动构网和生成等高线，依据点云厚度生成点云切片。可以输出dxf、ptx、pts、txt等多种数据格式。Cyclone还具备了正射影像输出功能，CAD用户可以在纠正的影像上得到高精度的二维线划图。
3 激光扫描技术的滑坡监测应用分析
激光扫描技术应用的发展趋势是：扫描速度将有较大的提高，视场角也将从原来的几十度到将来的接近全视角；测量精度将进一步提高；处理点云数据的速度将会大大提高，满足实际生产的需要；行业应用将进一步扩大，越来越普遍化。
3.1 滑坡监测应用分析
滑坡监测包括滑坡体地表滑移痕迹的目视调查、滑坡体地表位移变形监测、滑坡体内部岩层倾斜变形监测、滑坡体深层应力应变监测和外部环境监测如降雨量、地下水位监测等等。其中地表位移变形监测不仅是进行滑坡监测的重中之重，而且是决定滑坡体稳定与否的根本依据。它的具体做法是在不同时期对变形监测点实施多次观测，根据每个监测点平面和高程位移量的变化来确定滑坡体三维空间上的变形规律。
在理论分析和实验室研究工作中，国内外已应用了多种方法，如三重蠕变曲线地图形分析方法、半对数曲线法和变形速度倒数法进行滑坡时间预测，测量地表破坏声响反射方法检测地表、地下水运动，这些方法都是离线式和非实时性地。
随着现代科学技术的迅猛发展，各种电子化、数字化、自动化、智能化的新型集成化测绘仪器不断涌现，滑坡监测的技术和方法正在从传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。具体来讲，可以概括为两种：一种是滑坡监测的传统方法，主要指全站仪测量方法、摄影测量方法及GPS监测系统等；另一种是基于新技术和新仪器的滑坡监测新方法，如合成孔径雷达干涉测量(SAR)技术、三维激光扫描技术等。
3.2 测量误差分析
激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪脉冲计时的系统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。脉冲计时的系统误差造成循环、混淆现象与测距的凸角误差相类似，测距技术中不确定间隔更可能造成数据突变，目前，可运用一些较好的技术(如频率倍乘、微调作用) 处理这种突变的误差。激光测距误差综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器检定确定测距误差的大小。
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。目前扫描角测量可达很高的精度，如莱卡的HDS2500三维激光扫描仪的扫描精度可达到±0.5mm。
三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光回波信号有多值性特点，有些三维激光扫描系统只能处理最后反射回来的回波信号，也有一些三维激光扫描系统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号。以处理首次反射回来激光回波信号为例，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差接近于物体表面粗糙极值△max 的1/2。
温度、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密器械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空中传播的方向等。较差的外界环境条件对三维激光扫描數据的影响也较大。
4 总结
三维激光扫描技术处于不断发展和完善中，还有待进一步改进和提高，如：受到安全激光功率的局限，扫描距离和范围有限；特定材料对激光光源反射不够敏感，造成扫描范围内出现盲区，如潮湿的地表和绿色植被对扫描结果都有较大的影响；坐标系统校正方法不够成熟，坐标转换容易产生误差并难以避免；扫描激光光斑随距离的增加而变大，造成扫描结果中物体边缘细节难以识别；彩色信息的获取及处理方法有待改善。
三维激光扫描技术的工程应用潜力还待进一步开发利用。从目前三维激光扫描技术的发展现状看，其今后的发展前景是广阔的。三维激光扫描技术是目前世界上获取三维空间数据的最先进的技术之一，有着传统测量方法难以比拟的技术优势，可以快速获取复杂目标体的三维空间数据。三维激光扫描技术以其独特、先进的技术优势，可广泛应用于众多领域。
三维激光扫描技术具有很强的工程适用性，在地质、地形的监测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。传统的滑坡监测方法费时、费力并存在调查人员的人身安全问题，同时在某些情况下还存在难以获取令人满意的结果。将三维激光扫描技术引入到地质灾害领域，在滑坡监测中有着传统监测方法难以比拟的优势，获取一些传统方法难以获得的结果。另外，这种新技术的引入大大降低了调查人员的劳动强度，提高了工作效率。总之，对于实际的工程应用来讲，将三维激光扫描技术与滑坡监测相结合，并应用于地质灾害监测中去，无论对于测绘还是地质灾害领域都具有重要的里程碑意义。
参考文献：
[1] 梅文胜, 周燕芳, 周俊. 基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J]. 测绘通报, 2010, 1: 53-56.
[2] 徐源强, 高井祥, 王坚. 三维激光扫描技术[J]. 测绘信息与工程, 2010, 35(4): 5-62.
[3] 赵阳, 余新晓, 信忠保, 等. 地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望 [J][J]. 世界林业研究, 2010, 23(4): 41-45.
[4] 蔡来良, 吴侃, 张舒. 点云平面拟合在三维激光扫描仪变形监测中的应用 [J][J]. 测绘科学, 2010, 35(5): 231-232.
[5] 徐进军, 王海城, 罗喻真, 等. 基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J]. 岩土力学, 2010, 31(7): 2188-2191.
[6] 丁宁, 王倩, 陈明九. 基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J]. 山东建筑大学学报, 2010, 25(003): 274-276.
[7] 赵小平, 闫丽丽, 刘文龙. 三维激光扫描技术边坡监测研究[J]. 测绘科学, 2010, 35(4): 25-27.
作者简介：袁国志（1963-），男，浙江宁波人，汉族，大学本科学历，测绘高级工程师，注册测绘师讲师，主要从事地形测量、控制测量、海洋测绘等综合项目技术质量管理工作。
关键词：激光扫描；地理信息；滑坡监测；测量误差
中图分类号：[P258]文献标识码：A
1 引言
面对严重的滑坡灾害，对其完全治理存在资金不足、技术力量薄弱等困难，开展滑坡监测己成为预防滑坡灾害的主要途径。滑坡监测是地质灾害防治的重要手段，其目的是通过一定的监测仪器或监测手段对已知的地质灾害体进行形变、位移、地下水动态、应力状态等特征进行测量，分析、了解地质灾害体的变形、位移状态及趋势，为地质灾害防治决策以及预报预警提供定量的数据。
而在20世纪90年代中期出现并发展起来的三维激光扫描技术，与传统的滑坡监测技术相比，具有无需事先埋设监测设备、无接触测量、监测速度快、测量精度高、能够反映坡体的总体变形趋势等特点，更可以快速获取高密度、高精度的三维点云数据，经数据处理及建模后可以得到整个坡体地表的变化信息，对监测结果进行研究并掌握其变形发展规律，开展滑坡灾害预报，可以使生命财产的损失降到最低点。
2 激光扫描的应用技术路线
地面三维激光扫描技术的应用技术路线和处理流程大致可以分为扫描计划制定、外业数据采集和后期数据处理等部分（见图1），下面主要结合激光扫描在滑坡监测中的应用为例讨论数据采集及处理过程。
图1 数据采集和处理流程
2.1扫描计划制定
制定详细的工作计划应首先明确扫描对象，可以进行现场踏勘，采集影像、做好观察记录，其次，根据扫描对象、扫描仪的性能确定扫描采样分辨率、设计合适的扫描路线、确定设站和标靶位置。
滑坡监测主要是要采集地形变化的数据，要考虑实际地质条件等因素来制定详细的计划。
2.2外业数据采集
外业工作主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等。现场扫描标靶时把各标靶编号，利于后期处理，同时使用GPS测量3个以上的标靶的坐标，以便于后期的扫描坐标系和绝对坐标系的转换。
根据滑坡监测的需要，扫描过程分为：布设、场景扫描、精扫三个部分。分述如下：
布设：首先对滑坡地点进行现场的踏勘，根据它的位置、大小、形态，确定扫描方案，布设相应的点位。
滑坡体的场景扫描：将选好的扫描仪架设在布设的点位上，调整仪器的姿态，扫描过程利用软件控制，进行扫描。
精扫：重新设置扫描参数和点间间距，对标靶处进行精细扫描。相同的控制标靶在不同的测站时的中心位置必须一致，这样才能将各站扫描的点云统一到同一个坐标系统之下。
2.3内业数据处理
后期数据处理是整个作业过程中最重要也是工作量最大的一环，处理软件采用三维激光扫描仪的配套软件Cyclone。Cyclone能够管理海量数据，并能依据标靶或点云实现点云拼接、数据分块处理和管理功能，可根据点云自动生成平面、曲面、圆柱、弯管等几何体，并自动构网和生成等高线，依据点云厚度生成点云切片。可以输出dxf、ptx、pts、txt等多种数据格式。Cyclone还具备了正射影像输出功能，CAD用户可以在纠正的影像上得到高精度的二维线划图。
3 激光扫描技术的滑坡监测应用分析
激光扫描技术应用的发展趋势是：扫描速度将有较大的提高，视场角也将从原来的几十度到将来的接近全视角；测量精度将进一步提高；处理点云数据的速度将会大大提高，满足实际生产的需要；行业应用将进一步扩大，越来越普遍化。
3.1 滑坡监测应用分析
滑坡监测包括滑坡体地表滑移痕迹的目视调查、滑坡体地表位移变形监测、滑坡体内部岩层倾斜变形监测、滑坡体深层应力应变监测和外部环境监测如降雨量、地下水位监测等等。其中地表位移变形监测不仅是进行滑坡监测的重中之重，而且是决定滑坡体稳定与否的根本依据。它的具体做法是在不同时期对变形监测点实施多次观测，根据每个监测点平面和高程位移量的变化来确定滑坡体三维空间上的变形规律。
在理论分析和实验室研究工作中，国内外已应用了多种方法，如三重蠕变曲线地图形分析方法、半对数曲线法和变形速度倒数法进行滑坡时间预测，测量地表破坏声响反射方法检测地表、地下水运动，这些方法都是离线式和非实时性地。
随着现代科学技术的迅猛发展，各种电子化、数字化、自动化、智能化的新型集成化测绘仪器不断涌现，滑坡监测的技术和方法正在从传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。具体来讲，可以概括为两种：一种是滑坡监测的传统方法，主要指全站仪测量方法、摄影测量方法及GPS监测系统等；另一种是基于新技术和新仪器的滑坡监测新方法，如合成孔径雷达干涉测量(SAR)技术、三维激光扫描技术等。
3.2 测量误差分析
激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪脉冲计时的系统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。脉冲计时的系统误差造成循环、混淆现象与测距的凸角误差相类似，测距技术中不确定间隔更可能造成数据突变，目前，可运用一些较好的技术(如频率倍乘、微调作用) 处理这种突变的误差。激光测距误差综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器检定确定测距误差的大小。
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。目前扫描角测量可达很高的精度，如莱卡的HDS2500三维激光扫描仪的扫描精度可达到±0.5mm。
三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光回波信号有多值性特点，有些三维激光扫描系统只能处理最后反射回来的回波信号，也有一些三维激光扫描系统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号。以处理首次反射回来激光回波信号为例，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差接近于物体表面粗糙极值△max 的1/2。
温度、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密器械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空中传播的方向等。较差的外界环境条件对三维激光扫描數据的影响也较大。
4 总结
三维激光扫描技术处于不断发展和完善中，还有待进一步改进和提高，如：受到安全激光功率的局限，扫描距离和范围有限；特定材料对激光光源反射不够敏感，造成扫描范围内出现盲区，如潮湿的地表和绿色植被对扫描结果都有较大的影响；坐标系统校正方法不够成熟，坐标转换容易产生误差并难以避免；扫描激光光斑随距离的增加而变大，造成扫描结果中物体边缘细节难以识别；彩色信息的获取及处理方法有待改善。
三维激光扫描技术的工程应用潜力还待进一步开发利用。从目前三维激光扫描技术的发展现状看，其今后的发展前景是广阔的。三维激光扫描技术是目前世界上获取三维空间数据的最先进的技术之一，有着传统测量方法难以比拟的技术优势，可以快速获取复杂目标体的三维空间数据。三维激光扫描技术以其独特、先进的技术优势，可广泛应用于众多领域。
三维激光扫描技术具有很强的工程适用性，在地质、地形的监测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。传统的滑坡监测方法费时、费力并存在调查人员的人身安全问题，同时在某些情况下还存在难以获取令人满意的结果。将三维激光扫描技术引入到地质灾害领域，在滑坡监测中有着传统监测方法难以比拟的优势，获取一些传统方法难以获得的结果。另外，这种新技术的引入大大降低了调查人员的劳动强度，提高了工作效率。总之，对于实际的工程应用来讲，将三维激光扫描技术与滑坡监测相结合，并应用于地质灾害监测中去，无论对于测绘还是地质灾害领域都具有重要的里程碑意义。
参考文献：
[1] 梅文胜, 周燕芳, 周俊. 基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J]. 测绘通报, 2010, 1: 53-56.
[2] 徐源强, 高井祥, 王坚. 三维激光扫描技术[J]. 测绘信息与工程, 2010, 35(4): 5-62.
[3] 赵阳, 余新晓, 信忠保, 等. 地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望 [J][J]. 世界林业研究, 2010, 23(4): 41-45.
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[6] 丁宁, 王倩, 陈明九. 基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J]. 山东建筑大学学报, 2010, 25(003): 274-276.
[7] 赵小平, 闫丽丽, 刘文龙. 三维激光扫描技术边坡监测研究[J]. 测绘科学, 2010, 35(4): 25-27.
作者简介：袁国志（1963-），男，浙江宁波人，汉族，大学本科学历，测绘高级工程师，注册测绘师讲师，主要从事地形测量、控制测量、海洋测绘等综合项目技术质量管理工作。