北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 孫德鴻 王占超

三維激光掃描技術在地形地質(zhì)研究中的應用(一)

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一、三維激光掃描技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著儀器制造技術的不斷進步，以及各行各業(yè)的科研及工程人員的不斷實踐，自世界上第一臺三維激光掃描儀開發(fā)問世十多年來，三維激光掃描技術已經(jīng)逐漸成為廣大科研和工程技術人員全新的解決問題的手段，并逐漸取代一些傳統(tǒng)的測繪手段，為工程、研究提供更準確的數(shù)據(jù)。

掃描儀硬件的進步主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)掃描速度從最初的幾千點每秒，發(fā)展到今天的幾萬點每秒。速度的變化主要帶來外業(yè)數(shù)據(jù)采集時間的縮短，直接提高了工作效率，并減少了在危險環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的時間，從而使外業(yè)更安全。圖1為Leica三維激光掃描儀發(fā)展歷程中的掃描速度變化。

圖1 Leica三維激光掃描儀發(fā)展歷程中的掃描速度變化

2)掃描儀結(jié)構(gòu)從原來的分體式，發(fā)展到今天的高度一體化集成。高度一體化集成主要包括掃描儀電池內(nèi)置、高分辨率數(shù)碼相機內(nèi)置、高分辨率彩色觸摸屏控制面板內(nèi)置、數(shù)據(jù)存儲內(nèi)置。一體化讓儀器攜帶、工作中的遷站更方便，操作也更便捷。往往不再需要攜帶更多的附件，儀器無需過多的外部電纜進行連接。

3)視場角從原來的幾十度發(fā)展到現(xiàn)在接近全景的掃描。視場角的改變主要帶來兩方面的幫助:一方面讓掃描儀的架設更靈活，并提高工作效率，如果視場角小，要達到理想的掃描結(jié)果，儀器架設的方位都會有更多的限制，而且有時需要多次掃描才能達到效果;另一方面，因為視場角的增加，帶來掃描架站數(shù)量的減少，從而減少數(shù)據(jù)的后續(xù)拼接，減少后處理工作量和避免不必要的誤差累積，從而提高了掃描的整體精度。

4)最高測量精度提高到±2 mm左右，掃描點間隔可以縮小到1 mm。測量精度的提高直接帶來數(shù)據(jù)結(jié)果準確性的提高，使三維激光掃描儀對大型結(jié)構(gòu)、建筑測量以及監(jiān)測成為可能。掃描點間隔的縮小，使細微的結(jié)構(gòu)也可以通過掃描表達出來，增加了儀器可用的范圍。

儀器的進步，使使用者可以更方便地攜帶，并容易掌握儀器的相關操作，數(shù)據(jù)結(jié)果的精度也能滿足越來越多領域的應用需求。

掃描數(shù)據(jù)后處理軟件的進步體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)可處理更大的數(shù)據(jù)量。隨著軟件算法的改進以及計算機硬件性能的提高，目前優(yōu)秀的三維掃描后處理軟件可以存儲和處理多達十幾億點的數(shù)據(jù)。這種性能的提升，可以使用戶同時處理更大區(qū)域的數(shù)據(jù)，并進行更加精細的掃描。

2)功能更豐富，涵蓋更多行業(yè)的需要。軟件已經(jīng)可以成熟提供從工業(yè)設備管道建模、建筑物的建模到非規(guī)則復雜形體的建模，并可以直觀、準確地進行地形、形變分析等的計算，還可以提供二維特征線條的提取等功能。

3)操作簡便，人性化，易于掌握。

三維激光掃描技術目前已經(jīng)成功應用的領域有:① 遺產(chǎn)、文物保護;② 工業(yè)設計、檢測，工廠改擴建及數(shù)字化管理;③ 建筑、橋梁、基礎設施測繪;④地形測繪和地質(zhì)研究。

在地形測繪和地質(zhì)研究領域，三維激光掃描技術與傳統(tǒng)測量手段相比，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)測量簡單、便捷;

2)測量結(jié)果精確;

3)采集信息全面;

4)數(shù)據(jù)后處理簡單;

5)可直接基于三維結(jié)果信息進行計算和分析;

6)非接觸，大場景測量，效率更高，減小了測量工作對環(huán)境的依賴和局限。

二、三維激光掃描技術在地形測繪和地質(zhì)研究中的作用

三維激光掃描技術為地形測繪和地質(zhì)研究提供了一種新的工具和手段。最近幾年，國內(nèi)多家大學、科研單位、施工單位已開始嘗試將三維激光掃描技術與地形測繪、地質(zhì)調(diào)查、滑坡監(jiān)測、地質(zhì)災害研究等相結(jié)合，探討該技術在相關領域的實際應用，并積累了豐富的經(jīng)驗。下面介紹一些應用方向。

1.邊坡安全監(jiān)測

邊坡破壞的預測以及邊坡破壞后的狀況把握及二次災害的防止預防等都需要及時準確地掌握邊坡體的三維信息。三維激光掃描儀可以用于邊坡體災害發(fā)生前后的地形變化測繪、二次破壞防止的預測以及邊坡破壞前兆的把握和危險性評估。

通過三維激光掃描獲取地形數(shù)據(jù)后，可以利用軟件快速構(gòu)建DEM以及TIN數(shù)據(jù)。Leica的Cyclone數(shù)據(jù)后處理軟件就提供了便捷的DEM建立功能，并可實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)方便地轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標或地方坐標系。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以進行如下分析:①平面圖的重合比較;② 等高線的重合比較;③斷面圖的重合比較;④斷面圖的差分比較;⑤直接基于三維DEM進行變化部位及位移量數(shù)據(jù)分析。

三維激光掃描儀用于邊坡三維形狀獲取、加固方案設計、邊坡災害對策及安全監(jiān)測等都具有其獨到的方便性及先進性。測量設站靈活方便，測量效率高，獲取的數(shù)據(jù)可直接進行處理以得到基礎信息或分析結(jié)果。

2.地質(zhì)露頭研究

三維激光掃描儀可以為地質(zhì)露頭層序地層相關的研究提供準確的數(shù)據(jù)，通過掃描可以獲取露頭的三維模型，為地質(zhì)災害預防、地震研究、礦藏探測等提供基礎資料。

集成了內(nèi)置相機的三維激光掃描儀更可以同時獲取高清晰的影像數(shù)據(jù)，為后期的分析和研究提供更詳實的信息，通過軟件快速構(gòu)建彩色點云模型以及彩色的Mesh模型。并可以直接在三維空間實現(xiàn)點、線、面、體等信息的完整提取，數(shù)據(jù)可以DXF格式導出到其他后續(xù)繪圖軟件中。

在地質(zhì)露頭研究中，三維激光掃描儀發(fā)揮了非接觸、高精度、高分辨率測量的特點。大大減少了野外數(shù)據(jù)采集的時間，并能夠獲取更完整的信息。

3.基礎地形測繪

在地形測繪中，通過三維激光掃描儀及后處理軟件，只需要經(jīng)過簡單的幾個步驟就可以輕松獲取高比例尺的地形圖。

1)掃描。首先根據(jù)現(xiàn)場地物形狀和環(huán)境以及三維激光掃描儀的有效測程合理布設掃描儀的站點，然后在每個站點根據(jù)后續(xù)成圖的需要設置合適的分辨率進行掃描。在掃描過程中可以通過在已知點設站或控制掃描標靶的方式，將每個站點與地理坐標的關系約束好。

2)數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換到地理坐標系。把多個站點掃描的數(shù)據(jù)通過軟件拼接到同一的地理坐標系中，Cyclone軟件支持靈活的地理坐標轉(zhuǎn)換功能，可以簡便地將所有站點一次放入地理坐標系中，從而統(tǒng)一坐標系。

3)構(gòu)造TIN。通過軟件的功能，進行植被或建筑物剔除，然后生成TIN，并可對TIN進行平滑或優(yōu)化。

4)構(gòu)建等高線圖?；赥IN，給出等高線的間隔，等高線會自動被生成。

4.地質(zhì)裂縫研究

通過挖掘地質(zhì)探槽，可以更準確地掌握地質(zhì)裂縫的信息，從而有助于相關地震斷裂帶的研究。

地質(zhì)探槽反映了地層狀況以及地質(zhì)裂縫的三維形狀。通過三維激光掃描技術，可以記錄和獲取整個探槽的完整三維信息。

1)通過三維激光掃描儀掃描和拍照獲取高密度空間點云數(shù)據(jù)和高清晰的照片，掃描儀內(nèi)置相機的照片可以直接映射到點云上，形成彩色點云數(shù)據(jù)。彩色點云數(shù)據(jù)可以直接進行量測，并可以通過虛擬測繪功能將特征數(shù)據(jù)導出到其他軟件作進一步分析和計算。

2)基于點云數(shù)據(jù)，通過Geomagic軟件制作高精度三角網(wǎng)模型，映射紋理照片，可以得到彩色三角網(wǎng)模型，用于瀏覽和分析。

三、應用實例

1.黃河流域沙漠監(jiān)測

黃河流域部分地區(qū)氣候干旱多大風，土地類型多樣，地表沙物質(zhì)豐富，是全國沙漠化發(fā)展最迅速、危害最嚴重的地區(qū)之一。多年以來沙漠遷移、沙塵暴等自然災害給國家造成了重大的經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)的沙漠監(jiān)測方式耗費大量人力物力，且精度受條件限制。三維激光掃描技術是目前國際上最先進的測量方法之一，本應用就是將三維激光掃描技術與土壤沙漠化治理有機地結(jié)合在一起，從而大大提高了工作效率與數(shù)據(jù)的準確性。

(未完待續(xù))

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)