多技术融合的水利大坝变形监测研究.pdf
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1、经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言随着我国水电行业的发展,我国建成的水库大坝的数量已位居世界前列。与此同时,我们还应时刻关注大坝的安全,除了保证大坝的基础设施安全运行外,其基本的安全监测也是极其重要的。一旦大坝出现异常情况,就会给人民的生命、居民生活区及周边环境与设施带来高风险的影响。因此需要对大坝定期进行变形监测,早发现早整治,防止发生突发险情1-4。近些年,随着测绘科学技术的推进,大坝的安全监测方式也越来越多种多样,各种监测工具、传感器在大坝的安全监测中都有成功案例。如何更好地从大量的大坝监测数据中获取有用的信息,对大坝的安全状况评估极为重要,只有这样才
2、能较好地评估大坝的安全性,从而保证大坝的安全运行5。三维激光扫描技术是一种新的三维空间信息获取技术,也被称为实景复制技术,它具备传统测量技术不具备的优点:不仅可以直接提供海量的三维点云数据,还可以得到反射强度和目标 RGB 颜色;与传统单点测量相比,多技术融合的水利大坝变形监测研究胡向(长沙市规划勘测设计研究院,湖南 长沙 410000)摘要:传统大坝安全监测手段主要采用“单点”式的监测模式,需要在坝体上设置监测点,数量有限,且不能对大坝进行覆盖式的监测。而采用三维激光扫描技术对坝体进行了全方位、大面积、高效率扫描,可获取海量三维点云数据。通过两期坝体点云数据模型,全面分析大坝的形变量,并结合
3、多波束测深系统对坝前坝后的水下地形进行扫描,获取水下三维点云数据,分析坝前坝后水下淤积冲刷情况,为大坝安全监测提供有利数据。通过工程实例证明了三维激光扫描技术与多波束技术在大坝变形监测上的可行性与有效性。关键词:大坝一体化监测;变形监测;三维激光扫描;多波束测深系统中图分类号:P258文献标识码:A文章编号:2095-7319(2023)03-0012-05Deformation monitoring studies of water conservancy damsbased on multi technology fusionHU Xiang(Changsha Planning,Surve
4、y,Design and Research Institute,Changsha 410000,China)Abstract:Traditional dam safety monitoring methods mainly adopt a single point monitoring mode,which requires theestablishment of monitoring points on the dam body and the limited number cannot cover the dam.3D laser scanning technology isused in
5、 the article to have the dam body scanned in all directions,large areas,and high efficiency,so as to obtain massive 3D pointcloud data.Through two phases of dam point cloud data models,the deformation variables of the dam get analyzed comprehensively.In combination with a multi beam bathymetric syst
6、em,the underwater terrain in front of and behind the dam is scanned to obtainunderwater 3D point cloud data,which analyzes the underwater sedimentation and erosion situation in front of and behind the dam,and provides favorable data for dam safety monitoring.The feasibility and effectiveness of both
7、 3D laser scanning technology andmulti beam technology in dam deformation monitoring are proved through engineering examples.Key words:integrated dam monitoring;deformation monitoring;3D laser scanning;multi beam bathymetric system收稿日期:2022-07-20作者简介:胡向(1990),男,湖南宁乡人,本科,工程师,主要从事规划测绘、地铁自动化监测、水利大坝基坑监测
8、等方面的工作。E-mail:126月具有数据采集效率高、获取速度快、数据分辨率高、测量精度高、无接触测量等优点,现已被广泛运用于各类工程领域的变形监测。水下多波束测深系统具有水深全覆盖无遗漏扫测,测量范围大、速度快、测深精度和分辨率高,记录数字化和实时自动绘图等优点,弥补了单波束测深仪的片面性和侧扫声呐测深值的不准确性,提高了测量效率,也被广泛运用于水下地形的测量。本文将三维激光扫描技术与多波束测深系统同时运用到大坝的安全监测中,系统介绍数据的采集与处理过程,结合两期实验数据分析大坝的变形量及坝前坝后的水下淤积冲刷情况,为研究大坝的安全监测提供参考。1数据的采集与处理大坝安全监测数据的采集分为
9、坝体的三维点云的获取、坝前坝后水下的三维点云的获取。采用 Trimble SX10 三维激光扫描仪对水面以上的坝体进行扫描,坝体点云数据使用2016 年初次扫描点云数据(采集面积 0.5 km2、点云数目 2.8亿、设站 33 站)与 2021 年点云数据(采集面积 0.5 km2、点云数目 2.95 亿、设站 62 站)对比分析。坝前坝后的水下地形采用美国 R2SONIC 公司生产的 SONIC2024 多波束测深系统进行扫描,水下点云数据采用 2018 年初次测深点云数据(采集面积 0.7 km2、点云数目 1.26 亿)与 2021 年点云数据(采集面积 0.4 km2、点云数目 1.3
10、7 亿)对比分析。再对点云数据进行预处理,外业采集的数据是最原始的数据,需要对其进行坐标配准、噪点剔除、重叠部分删减、不可靠站点剔除、数据合并和导出 txt 文件。剔除点云粗差数据,保留高精度点云数据。大坝一体化监测技术路线如图 1 所示。2点云数据精度分析在测量过程中,坝上与水下的扫测精度主要由控制测量、工作基点、数据获取方式决定,各项误差逐步积累,在本次的测量过程中,所架设使用的控制点成果使用 2021 年控制网的复测成果,方向中误差0.35,侧边精度(0.53 mm+0.53 ppmD),最弱方向中误差0.3,相对最弱边 1/491 477。完全满足复测精度要求。2.1工作基点精度评定工
11、作基点本次选择 TM30/RTK 实测基点。大坝坝体两侧及坝顶有监测墩,每个星期会定期使用机器人 TM30 监测,数据实时更新。在某些没有固定观测墩又需要进行扫描的位置(主要是大坝两侧、顶部北侧道路及大坝下游底部),利用 TM30 型全站仪架设在各观测房顶部观测墩,通过三维变形分析多测回自动观测方式,共采集 4 个测回的数据,而后加入气象条件,进行极坐标平差后得到基点坐标。同时利用 RTK 的方式进行测量,将测量结果与 TM30 全站仪测得数据比较,如果两种结果相近,则采用全站仪数据作为站点坐标,否则就要重新使用全站仪测量该站点坐标。2.2坝体三维点云数据精度评定地面三维激光点云数据的扫描精度
12、主要由两方面评定,分别为内符合精度、外符合精度。(1)内符合精度内符合精度表示同一测站不同时刻测量同一目标,两期数据间的内符合程度。验证内符合精度能保证不同时期数据的准确性。本次内符合精度的检验选取 GTP08 测站两次扫描的点云数据叠加进行内符合精度的评定,在同一位置截取部分点云进行建模分析,如图 2 所示。图 1大坝一体化监测技术路线图 2GTP08 测站内符合精度评定胡向:多技术融合的水利大坝变形监测研究13经纬天地Survey World2023年第3期No.32023使用 DEM 分析法,能够清楚地看到高程范围呈条带分布,两个面基本吻合,总体上看点云数据良好。使用 cloudcomp
13、are 软件可以通过点云之间的高程差来直观表示每个点云的质量。通过数据分析,蓝色方柱为两次数据有重叠点的对比结果,能够达到 3 mm 以内;红色方柱表示两次数据没有重叠点的对比结果,不能反映真实的测量精度。所以,本次内符合精度可以达到 3 mm 以内。(2)外符合精度外符合精度表示不同测站同一时刻测量相同目标,两站数据的相互吻合度。验证外符合精度保证同期数据成果的正确性。本次外符合精度的检验选取 GP07 与 GP08 测站扫描截取的点云观测数据,将点云观测数据统一到施工坐标系下进行对比,截取两站观测数据同一位置的点云,分别进行叠加建模并精度分析,如图 3 所示。通过分析可知,测点范围约 10
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