1、March,20232023年3 月Modern Surveying and MappingVol.46.第46 卷第2 期测现绘代基于车载LiDAR的吴淞导堤沉降监测分析蔡竞存，李涛？，孙涛？，李志伟2（1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京海淀10 0 0 0 0；2.江苏易图地理信息科技有限公司，江苏扬州2 2 50 0 0）摘要针对常规数字化地形监测方法在海堤况降监测中存在测点数据量小、多期测点位置难以固定等问题，采用三维激光扫描技术进行沉降监测，基于密集点云滤波的参考曲面差值统计法，对噪声剔除后的多期导堤的密集点云利用坡度阈值选代方法提取出堤面地面点集合，然后根据内插形成的栅格DE
2、M进行统计差值拟合出整条导堤的沉降变化差值DEM，进而分析计算导堤各局部沉降量。以上海吴淞导堤为例，在L型导堤折角近处沉降量为12cm，精度约2.4cm，结果误差满足精度要求。较传统监测方法，本方法能够快速计算出导堤任一位置的高精度沉降量，有效提高了工作效率和监测精度。关键词车载LiDAR；点云滤波；差值统计；沉降监测中图分类号：P255.2TV698.1文献标志码：A文章编号：16 7 2-40 9 7（2 0 2 3）0 2-0 0 0 6-0 40引言三维激光扫描技术 1-51在基础测绘和大规模城市场景的三维重建中具有越来越明显的优势。在传统监测领域，除了传统的数字化地形监测手段，目前也
3、应用架站式三维扫描手段开展作业，由于架站式三维扫描需要进行靶标设置及测量、分站点云拼接，精度控制和扫描作业效率受到限制。本文基于车载LiDAR，尝试在海堤沉降监测中进行应用，验证其作业流程和沉降监测精度。吴淞导堤位于上海市宝山区长江与黄浦江交汇处，导堤全长98 4m，已有近110 年的历史。在改善黄浦江口航道水深的同时，还阻挡了长江上游来沙，在导堤北侧淤积，归顺和束窄涨落潮和黄浦江径流，对于黄浦江和上海国际大都市的建设发展意义重大。因导堤两侧水深较浅，无法采用测深方法进行固定断面监测。而采用常规数字化地形监测方法测点数据量小，每次测点位置难以固定，所以需采用三维激光扫测方法对导堤两侧低潮时露出
4、水面区域进行扫测。本文采用车载三维激光扫描技术进行沉降监测，提出了一种基于密集点云 6-10 1滤波的参考曲面差值统计法。该方法首先对噪声剔除后的多期导堤密集点云利用坡度阅值迭代方法提取出堤面地面点集合，然后根据内插形成的栅格DEM进行统计差值，拟合出整条导堤的沉降变化差值DEM，进而分析计算导堤各局部沉降量。1监测方案设计在导堤路面采用GPS静态测量技术测量了若干基准点用于验证点云扫描精度。选择车载AS900激光扫描系统对该区域进行扫描，具体参数如表1所示，其测量精度为10 mm，满足本次监测1:1000DEM平地类型中2 0 cm的精度要求。表1AS900激光扫描系统主要参数参数值激光等级
5、1级扫描频率10200Hz测量范围920m测量精度10mm，重复精度5mm点云密度550000点/s视场角330在实施三维激光扫描（图1）时采取的基本方法是：图1导堤扫描项目来源：扬州市重点研发计划一产业前瞻与共性关键技术项目（YZ2019004)第一作者简介：蔡竞存，本科在读，研究方向为激光点云等地理信息数据处理。蔡竞存等车载LiDAR的吴淞降监测分析第2 期（1)行进扫描：充分考虑覆盖，采用沿导堤行进式扫描实施三维激光点云获取，保证扫描数据没有遗漏。（2)双向扫描：考虑导堤边坡的角度，以及扫描系统扫描过程的扫描覆盖区域，确保导堤及两侧边坡的数据完整性，采取沿导堤两侧来回扫描。2基本原理2.
6、1GNSS/INS组合事后处理利用NovAtel公司InertialExplorer8.7紧耦合解算（图2），以GPS时间标记为基准，分别采集和处理原始IMU的测量值以及GPS数据。运行In-ertialExplorer中的GPS组件进行相关步骤处理和存储最优的GPS坐标、速度和质量信息。InertialExplorer中的IMU组件执行同步、频率和滤波的自动化过程。通过GPS轨迹、零速度及相关的坐标进行测量更新。Ble YiewBrocens SetingtCuaput Iool Mindow Heip图2扫描数据组合解算2.2点云滤波处理为了得到真实的地表数据，需要进行点云的地表点和非地表
7、点分离删除，采用芬兰TerraSolidOy公司开发的TerraSolid软件进行点云数据滤波处理（图3）。裸露地表处有且只有一次回波，此次回波对应的反射点即为地面点，植被覆盖区域可能对应多次回波，正常的地面点是最后一次回波对应的反射点，相对于地物点，地面点的高程是最低的。从高程值较低的激光点云中提取初始地表面，给予初始地表面，设置地面坡度阈值进行送代计算，直至找到合理的地面。迭代角度和送代距离根据地形不同进行相应的设置，且二者成比例变化。在地势较平坦的地区Iteration angle通常定义在46 degrees，在丘陵及山地较多区域Iterationangle通常定义在10 12degr
8、ees,Iteration distance根据Iteration angle 通常定义在0.51.5m。根据导堤地形，应用与地形对应的参数进行自动滤波处理-15图3点云滤波2.3导堤DEM的获取激光点云数据完成坐标转换、裁切、噪声剔除、重采样及滤波后，通过激光点云地面点直接抽稀和内插获得高程值，得到两期导堤DEM（图4）。对于点云比较稀疏或空洞的区域DEM值由内插获得对于因地表模型存在局部不合理区域造成的DEM错误，利用软件中人机交互工具进行细节修改。2018年第一期导堤DEM2018年第二期导堤DEM图4两期DEM内插数据3试验与分析3.1沉降监测将2 0 18 年上半年和2 0 18 年
9、下半年两期DEM数据应用差值分析模块进行三维比较。为更充分、全面地展示导堤的变化量，本项目对两期数据相对距离变化的绝对值2 0 cm作为临界值，应用数学分析模块中的减运算，选择要比较的DEM，根据两期DEM模型成果进行三维比较功能（图5）。图5两期导堤沉降量分布由图5可知，各区域颜色主要为绿色，即导堤的整体的变化量较小，导堤整体相对稳定。从导堤沉降量带状颜色分布上可以看出，导堤表面既有蓝色8第46 卷绘测现代或淡绿色区域（变化量为负值），又有红色或淡黄色区域（变化量为正值），这表明导堤既有沉降区域，又有隆起区域，为非规则变形，故导堤存在较大的安全隐患。如图6 所示，导堤两期变化量绝对值小于2
10、cm的区域占45%，小于5cm的区域占7 1%，说明半年之内导堤大部分区域绝对变化量较小；变化量在510 c m 的区域占18%，说明导堤该部分区域出现了整体性的隆起；变化量的绝对值大于10 cm的区域约占12%，通过两期导堤DEM的变化量效果图观察可知，主要分布在防浪石区域，说明风浪对该区域影响较大，需要重点监测并加强维护7%15%15%18%30%小于-0.1-0.05-0.1-0.02-0.050-0.020.0200.050.020.050.1大于0.1图6吴淞导堤沉降变化饼状图（单位/m）3.2精度验证本次精度复核验证内业经过点云滤波处理并内插后的DEM,外业在导堤范围内随机散点法采
11、集地面高程点，剔除明显粗差点后，合计一期检测点数为2 7 个，二期检测点数为2 1个，复核对比结果如表2 所示。表2精度验证复核统计（单位/m）点号Z点云乙复核S12.6952.683-0.01222.7042.7190.01532.6932.7160.01342.7362.7610.025452.7622.736-0.026462.7582.745-0.013472.6772.6990.022482.7412.722一0.0 19ASAS中误差（m，n=480.024n第一期（2 0 18 年4月2 4日扫描数据）平差后的点云数据绝对位置中误差为2.6 cm，第二期（2 0 18年10 月1
12、7 日扫描数据）平差后的点云数据绝对位置中误差为2.4cm。采用野外散点法对基于激光点云数据进行高程精度检测，为确保检查的全面性和代表性，用GPS一RTK测定检测点三维坐标，一期检测点数为2 7 个，二期检测点数为2 1个。检测结果表明：激光点云高程中误差为2.4cm，满足导堤沉降监测对高程精度的要求。本次导堤沉降监测的误差来源主要包括基站架设整平误差、基站高程量测误差、卫星高度角及卫星颗数、点云解算误差等。在沉降观测实施过程中应注意将观测各环节的人为因素造成的误差消除，采用经过检定和保养得当的设备开展作业，降低各类误差来源对观测结果的影响。4结语本文采用车载移动扫描系统进行沉降监测，基于密集
13、点云滤波的参考曲面差值统计法，对多期导堤点云提取出地面点集合内插后形成的栅格DEM统计差值，拟合出整条导堤的沉降变化差值，进而分析计算导堤各局部沉降量，沉降监测精度为2.4cm，沉降变化区域主要分布在防浪石区域，说明风浪对该区域影响较大，需要重点监测并加强维护。为更好、更及时地掌握导堤变化对束水、导流、防波浪、促淤（长江侧）、改善航道水深作用的影响，有必要加大监测频次，对其进行更深人的长期监测，以便为其维护和整治提供依据、参考文献1韩帅，陈媛媛，高业何敏.基于PS一InSAR技术的常州市地面沉降监测与分析J.现代测绘，2 0 2 1，44(5):2427.2 杨传训，杨骥，李勇，等.面向水库大
14、坝形变监测的三维激光扫描点云分析方法J.测绘通报，2 0 2 1（10）：54一59.3褚宏亮，邢顾莲，李昆仲，等.基于地面三维激光扫描的三峡库区危岩体监测 J.水文地质工程地质，2021,48(4):124-132.4杨永林，杨超，潘东峰，等.利用三维激光扫描技术进行万寿寺塔变形监测J.测绘通报，2 0 2 0（5）：119-122.5刘辉.三维激光扫描技术在海岛边坡监测中的应用J.经纬天地，2 0 2 0（6）：49一52.6李俊峰，葛文，徐婧，等.基于激光点云的高架箱梁变化检测J.城市勘测，2 0 2 0（4）：7 0 一7 3.7赵宁宁，吴伟，王勇.基于三维激光扫描技术的地铁隧9第2
15、期蔡竞存等：基于车载LiDAR的吴淞导堤沉降监测分析道结构变形监测应用研究J.中国矿业，2 0 2 0，2 9(6):176-180.顾元元，陈冉丽，吴侃，等.矿区桥梁变形监测的三维激光扫描技术J.金属矿山，2 0 19（10）：18 8-193.9 李斌，魏俊博，马博超，等.不规则体体积计算三维激光点云切片法J.测绘学报，2 0 19，48（1）：42 一52.10陈红权，孙军荣，郭威.区域地面沉降监测与分析J.现代测绘，2 0 15，38（3）：5557.11朱曙光，何宽，周建郑.徕卡三维激光扫描系统在建筑物精细建模中的应用J.测绘通报，2 0 18（2）：154-156.12余培永，刘昭
16、华.三维激光扫描支持下的文化遗产建模应用分析 J.测绘通报，2 0 18（8）：145一149.13宣伟.地面激光点云数据质量评价与三维模型快速重建技术研究 J.测绘学报，2 0 17，46（12）：2 0 45.14陆建华，吕志才.基于多时相点云数据的大型古建筑形变监测研究以苏州虎丘塔为例 门.工程勘察，2016,44(7):5358.15马国正.结构体整体变形量提取算法J.测绘科学技术学报，2 0 15，32（4）：336 339.Settlement Monitoring Analysis of Wusong Training Jetty Based on Vehicle LiDARCA
17、l Jing-cun,LI Tao?,SUN Tao?,LI Zhi-wei?(1.School of Land Science and Technology,China Agricultural University,Beijing 100000,China;2.Jiangsu Easymap Geographic Information Technology Corp.Ltd.,Yangzhou Jiangsu 225000,China)Abstract In view of the problems of small amount of measuring point data and
18、difficult to fix the position of multi-stagemeasuring points in the conventional digital terrain monitoring method in seawall settlement monitoring,this paper uses three-dimensional laser scanning technology for settlement monitoring,and the reference surface difference statistical method based onde
19、nse point cloud filtering,for the dense point cloud of multi-stage guide dike after noise elimination,the slope thresholditerative method is used to extract the set of ground points on the dike surface,and then the statistical difference is fittedaccording to the interpolated grid DEM to fit the set
20、tlement change difference DEM of the whole guide dike,and then the localsettlement of the guide dike is analyzed and calculated.Taking Shanghai Wusong guide dike as an example,the settlement nearthe corner of the L-shaped guide dike is 12 cm,and the accuracy is about 2.4 cm,the result error meets th
21、e accuracyrequirements.Compared with the traditional monitoring method,this method can quickly calculate the high-precision settlementat any position of the guide dike,and effectively improve the work efficiency and monitoring accuracy.Keywordss vehicle LiDAR;point cloud filtering;difference statistics;settlement monitoring