[发明专利]一种无人机和三维激光扫描联合的土坝变形监测方法

说明书

本发明提供一种无人机和三维激光扫描联合的土坝变形监测方法，包括数据融合和数据修正两个步骤：S1.三维激光扫描和无人机的融合，将三维激光扫描得到的高精度点云，作为无人机的远程地面控制点TCP来重建无人机模型；S2.利用ICP算法对融合数据进行修正，经过第一步无人机模型的重建后，对无人机模型修正，采用ICP算法进行，将不同空间位置中的点云进行精确的配准。本发明数据的配准主要是以三维激光扫描得到的高精度点云作为参考，能够极大地提高无人机在垂直方向上的精度。通过以上两步，将实现无人机三维模型在水平和垂直方向的精度的极大提升，可用于土石坝变形监测。

技术领域

本发明属于监测技术领域，具体涉及一种无人机和三维激光扫描联合的土坝变形监测方法。

背景技术

早在20世纪美国、瑞士等一些西方国家都出现了许多溃坝的问题，我国在过去的几十年间大力促进水利行业发展建设，现已建成近10万座大可供运行使用的大坝，其中土石坝就占据很大的一部分，因此对于土石坝的安全监测成为了当下保证大坝正常有序运行的必要前提。鉴于我国水资源的时空分布以及复杂的地形，给土石坝变形监测带来一定程度上的困难，采用传统的接触式监测方式如裂缝计、GNSS、全站仪、GPS等对土石坝体进行监测时，复杂多变的地形极大的增加了监测工作的安装维护成本，土石坝一般是由坝顶、防渗体、护坡和排水设施组成，坝体内部无廊道，是非刚体结构，由于这些技术的监测范围受到监测设备的数量和分布的限制，只能得到单点一维的监测信息，不能得到土石坝整体的变形信息，而且在极端条件下仪器的损坏率极高。

因此，在这种复杂的环境下采用无人机航空摄影和三维激光扫描等非接触式监测技术就显得尤为必要。虽然这两种技术可以很大程度上弥补传统监测技术的不足，但是它们依旧存在问题，比如在数据精度和数据完整性等方面受到地形地势的制约。例如三维激光扫描是通过激光头发射以及接收激光来获取地面的空间信息，但是由于遮挡以及三维激光扫描本身视野范围的局限性，无法获取完整的土石坝形变模型，需要布设多站进行坝体的扫描。另外对于无人机航空摄影来说，精确完好的地面控制点是保证该技术有效发挥作用的重要条件，否则无人机得到的模型仅能够对土石坝的形态进行定性的分析，其精度是无法用于多期数据之间的精确的配准和土石坝形变分析，但是在土石坝两岸地形复杂多变，进行无人机地面控制点的布设十分困难，最终导致无人机测量精度的不足以用土石坝地表形变分析。

发明内容

针对上述现阶段土石坝监测领域存在的各种问题，本发明提出了一种基于无人机航空摄影和三维激光扫描联合监测的土石坝监测方法，目的是通过这两种非接触式技术的融合，提高土石坝变形监测数据的完整性和精度，从而在土石坝变形监测过程中获取精确完整的三维模型。

本发明提供的技术方案：

一种无人机和三维激光扫描联合的土坝变形监测方法，主要包括数据融合和数据修正两个步骤：

S1.三维激光扫描和无人机的融合；

三维激光扫描和无人机航空摄影构建三维模型的原理有所不同。其中三维激光扫描是一种发射以及接收激光来获取地表三维空间信息的技术，属于物理手段；而无人机航空摄影是利用SFM算法，通过二维的航空影像来构建三维空间模型，属于图像处理技术。因此若将这两种数据进行融合，只有通过最终生成三维点云模型具有交集的时候进行处理。

三维激光扫描可以得到可视范围内高精度的点云数据，但是由于土石坝所处复杂的地理环境，以及土石坝本身的特殊结构，因而存在视野盲区，能够获取的点云数据通常是不完整的，其中还包含坝岸两侧的一些附属建筑，比如管理房屋，这些建筑的坐标可以在处理过后的点云数据中进行提取，并且可以达到毫米级的精度。无人机航空摄影在构建三维模型的时候，地面控制点对于其计算过程是一个至关重要的外部几何约束，若缺乏这种约束会导致无人机模型的失真。工程中常用的无人机地面控制点大都是通过作业人员手持RTK来布置，而对于土石坝所处位置大都地理环境复杂，因此这种方法就受到很大的限制。