■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害體測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用

■趙海軍

（新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊新疆烏魯木齊830091）

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興測繪技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)與物體三維測量等測繪及相關(guān)領(lǐng)域，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。本文在介紹三維激光掃描儀的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀及工作原理的基礎(chǔ)上，通過地面三維激光掃描儀實地測量，獲取此次泥石流滑坡高精度三維地理信息數(shù)據(jù)，為以后的災(zāi)后重建與防御工作提供第一手資料。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來發(fā)展趨勢。

三維激光掃描儀 泥石流 測量 地質(zhì)災(zāi)害

地面三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，但是在一些國家和領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成熟并得到廣泛應(yīng)用。地面三維激光掃描系統(tǒng)集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段與工具，國際上對這一技術(shù)的研究與應(yīng)用已有一定的成果，而國內(nèi)尚處于起步階段，尤其在地災(zāi)點區(qū)域的測繪生產(chǎn)方面。近些年，我國自然災(zāi)害頻發(fā)，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生，及時獲得這些地災(zāi)點的三維地理信息對于其災(zāi)后重建與防御工作顯得尤為重要。由于這些地災(zāi)點多高陡險峻，次生災(zāi)害隨時發(fā)生，對于這些地災(zāi)點應(yīng)用傳統(tǒng)的測繪和地質(zhì)調(diào)查方法不僅費時、費力并具有較高危險性，而且通常很難得到令人滿意的結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測、地形測量、工程開挖、數(shù)字地形建模、地質(zhì)調(diào)查、減災(zāi)防害等方面的應(yīng)用，使筆者的工作方法與思路得到了擴展。中、長距離三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為地災(zāi)點的調(diào)查研究提供了一種新的辦法，是對傳統(tǒng)測量方法的有益補充。本文在對該項技術(shù)的現(xiàn)狀進行簡單介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，闡述應(yīng)用該項技術(shù)快速獲取泥石流地災(zāi)點高精度三維地理信息數(shù)據(jù)，為以后的災(zāi)后重建與防御工作提供第一手資料。

1　三維激光掃描的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的儀器相比，三維激光掃描儀在使用上具有非常顯著的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①可以全天候作業(yè)。由于采用的是激光，無需太陽光，因此，三維激光掃描儀在黑暗的環(huán)境中照樣可以正常工作，例如隧道中或地下礦井中。②掃描的數(shù)據(jù)密度可以調(diào)節(jié)，根據(jù)不同距離，點間距可設(shè)小于1 mm或大于1 000 mm。③高精度。三維激光掃描儀的精度可以工作的范圍內(nèi)可達(dá)到1 cm，模型化后的精度更可達(dá)3 mm，可以充分滿足大部分的測量需求。

2　三維激光掃描與傳統(tǒng)測量的區(qū)別

與全站儀等單點采集三維數(shù)據(jù)的方法相比，三維激光掃描儀無需設(shè)置反射棱鏡，無接觸測量，在人員難以企及的危險地段使用優(yōu)勢明顯；突破了單點測量方式，以高密度、高分辨率獲取掃描物體的海量點云數(shù)據(jù)，對目標(biāo)描述細(xì)致、采樣速率高。這都是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的。但缺點是比全站儀的測量精度低。三維激光掃描儀與以光學(xué)攝影測量為原理的近景攝影測量及航空攝影測量的獲取結(jié)果不同：攝影測量獲取的是影像照片，而激光掃描獲取的是三維點云數(shù)據(jù)；獲取的數(shù)據(jù)格式不同：攝影測量數(shù)據(jù)拼接采用相對或絕對定向方式，三維激光掃描采用數(shù)據(jù)的坐標(biāo)匹配方式。另外，兩者拼接各測站間數(shù)據(jù)的方式、解析方法、測量精度、測量環(huán)境要求（攝影測量對環(huán)境光線、溫度要求高）和數(shù)據(jù)處理方式也不同。

3　地面三維激光掃描儀及其工作原理

地面激光掃描儀是一個由多個部件組成的復(fù)合系統(tǒng)，包括地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備，通過非接觸式高速激光測量方式獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，最后通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，并可以以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。三維激光掃描技術(shù)，通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過被測目標(biāo)信號接收器接收來自目標(biāo)體反射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離同時掃描控制模塊控制和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標(biāo)（云點），進而轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型（圖1）。

圖1　掃描點坐標(biāo)計算原理

3.1外業(yè)工作流程

一般來說，由于掃描儀掃描范圍的限制，三維激光掃描儀很難從一個方向掃描一次便可得到掃描體的完整點云數(shù)據(jù)，反映一個掃描實體信息通常要由若干幅掃描才能完成。因此，掃描中要求相近場景的2次掃描要有一定的重疊部分，以便在處理軟件中對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接匹配。故在掃描前應(yīng)對掃描場地進行初步踏勘，合理設(shè)置儀器的架設(shè)方案?？茖W(xué)合理地架設(shè)掃描機位，對采集高質(zhì)量三維數(shù)據(jù)、提高測量精度、全面反映場景細(xì)節(jié)有著十分重要的意義。掃描過程中可以根據(jù)工程需要與現(xiàn)場條件配合定位系統(tǒng)（GPS）一起使用，對掃描場景內(nèi)的明顯地物點、掃描機位點進行精確的坐標(biāo)測量，以便在后期處理中進行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.2實地踏勘選點

結(jié)合實際，選擇合理的測量控制點。選點時應(yīng):（1）確保兩點之間盡可能通視，以便能有一定的公共區(qū)域；（2）選擇地理位置較高視野廣闊的點，從而獲取更多的有效數(shù)據(jù)。

3.3數(shù)據(jù)采集

（1）調(diào)試相機。根據(jù)測量環(huán)境的光亮成度來調(diào)節(jié)標(biāo)配外掛單反相機的曝光時間，以便獲取更加真實的影像數(shù)據(jù)。此次掃描工作正處十月中旬，入冬的四川氣候條件濕潤，山間雨霧較多，所以單張照片拍照時長應(yīng)相對長一些。

（2）架設(shè)儀器并記錄相關(guān)信息。將掃描儀架設(shè)于踏勘的控制點上，對中整平，記錄并量取設(shè)備儀器高。

（3）操控儀器采集數(shù)據(jù)。具體步驟包括:接通電源、連接筆記本電腦、新建項目、開始掃描、搬站。在每個站點開始掃描之前，需對站點參數(shù)進行掃描參數(shù)設(shè)置。首先目測掃描站點位置到目標(biāo)區(qū)域的大概距離，從而設(shè)置掃描模式。由于滑坡面積較大，所以本次測量設(shè)置的掃描模式都是1200m的遠(yuǎn)距離掃描模式，便于獲取離測站點較遠(yuǎn)的滑坡數(shù)據(jù)。同時勾選影像獲取，打開姿態(tài)評估功能鍵（記錄反北方向角）。需要說明的是，每站掃描時長約為12 mm左右，掃描時間的長短取決于2個方面:第一，設(shè)置的點密度大小，點云密集比點云稀疏所用掃描時間較長（本次掃描1200m的地方點云密度為15cm）。第二，設(shè)置的掃描距離長遠(yuǎn)，掃描越遠(yuǎn)的地方比掃描較近的區(qū)域所用時間較長（本次掃描距離模式為1200 m長遠(yuǎn)距離）。（4）GPS—RTK獲取控制點坐標(biāo)由于臨時選點，測站點沒有坐標(biāo)，本工程通過GPS獲取臨時測站點大地坐標(biāo)值。

（4）定位。三維激光掃描技術(shù)可以深入到復(fù)雜的場景當(dāng)中去，快速、準(zhǔn)確地獲得掃描場景的三維數(shù)據(jù)。但三維激光掃描技術(shù)并不是無所不能，技術(shù)上還有待進一步完善。比如在場地定位問題上，目前都是通過大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來解決的，這也就要求在激光掃描的同時要進行若干次精確的大地坐標(biāo)測量。在一些大型水電邊坡工程中，雖然已經(jīng)存在許多大地坐標(biāo)控制點，但在現(xiàn)場掃描工作中發(fā)現(xiàn)，由于復(fù)雜的施工場地及起伏的地形限制，根據(jù)掃描獲得的點云數(shù)據(jù)要準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并識別坐標(biāo)控制點的水泥樁還存在很大困難，這也是造成定位誤差的一個重要原因。工程應(yīng)用中的掃描數(shù)據(jù)定位的精度，某些情況下直接影響著測量的最終結(jié)果。換言之，如果不能進行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或定位不準(zhǔn)，那么在掃描數(shù)據(jù)中就不能進行準(zhǔn)確的巖體產(chǎn)狀、垂向高差等量測。

3.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

3.4.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于激光掃描儀測量得到的數(shù)據(jù)所采用的三維直角坐標(biāo)系與實際的坐標(biāo)系之間的歐拉角可能很大。儀器自帶的GPS可以使掃描得到的數(shù)據(jù)獲得測站點的大致坐標(biāo)和反北反向角，通過該坐標(biāo)和反北反向角可以把三維激光數(shù)據(jù)糾正到大致正確位置。

3.4.2多站點調(diào)整

RiScan Pro軟件中多站點調(diào)整功能可以把粗拼接的兩個面進行一個精細(xì)的擬合，達(dá)到理想平差效果。

3.4.3植被過濾

設(shè)備采用代表激光掃描儀發(fā)展方向的全波形數(shù)字化及實時處理技術(shù)，具有獨特的多回波功能，使激光可以更多地穿透植被，以獲取更多地面點數(shù)據(jù)，配套軟件RiScan Pro對多回波數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)一鍵過濾植被的功能，使內(nèi)業(yè)處理更加簡單高效。成果提交掃描得到的點云數(shù)據(jù)，首先要剔除噪點，然后用剔除噪點后的點云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型（DEM），得到的DEM成果（圖3），可在土木工程、地球科學(xué)等很多方面應(yīng)用，而本工程主要是應(yīng)用基于DEM的地形地貌分析功能。

圖3　最終成果圖

3.4.4成果應(yīng)用

圖4　泥石流區(qū)域DEM模型

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析了此次泥石流災(zāi)害的特征，并從其形成條件入手，探討了此次災(zāi)害的成因和未來發(fā)展趨勢（圖4）。研究表明，松散物質(zhì)的極大豐富和堵潰是導(dǎo)致此次特大泥石流規(guī)模巨大的主要原因;此地在短期內(nèi)泥石流仍會頻發(fā)，但規(guī)模要比此次泥石流小（圖4）。

4　結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點測量的數(shù)據(jù)處理方法，為測繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展是“繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新，將使測繪數(shù)據(jù)的研究內(nèi)容、方法進入新的發(fā)展階段”。將三維激光掃描儀引入到對地災(zāi)點的測繪生產(chǎn)是對傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益擴展與補充，在極大提高工作效率的同時提高了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的精度，并且在特定條件下可以提供傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

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P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-292-2