楊茂偉

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

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三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害地形測繪中的應(yīng)用

楊茂偉

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

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復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

地面三維激光掃描測量系統(tǒng)對物體進行掃描后,采集到的物體表面各部分的空間位置信息是以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。掃描坐標(biāo)系定義為:坐標(biāo)原點位于激光束發(fā)射處,掃描儀的理論豎直軸水平時的天頂方向為Z軸,掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向為X軸,Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

由激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時間可以獲得被測目標(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(如圖1所示)。

圖1　掃描點坐標(biāo)計算原理

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，并轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，且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。

一、Trimble TX8三維激光掃描儀

TrimbleTX8具有360°×317°的視場角和1 000 000點/s的數(shù)據(jù)獲取速度，可以在3min時間內(nèi)完成一次典型的測量任務(wù)。TX8在其120m測程范圍內(nèi)都可以保持高測量精度，在可選升級配置中，其測程更可以擴展至340m。

TrimbleRealWork軟件是Trimble地面三維激光掃描系統(tǒng)的配套軟件。掃描儀獲取的數(shù)據(jù)噪聲點少，大大減少了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理所需的時間。TrimbleTX8獲取的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入TrimbleRealWorks軟件和Trimble掃描瀏覽器軟件中。通過TrimbleTX8和TrimbleRealWorks的配合，可以提供高效數(shù)據(jù)流給各種主流的CAD軟件。

二、作業(yè)方法

1. 掃描儀點云獲取流程

點云獲取的一般流程如圖2所示。

圖2

三、數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分：點云數(shù)據(jù)處理(導(dǎo)入、去噪、拼接、拼接精度檢核、抽稀、輸出)，輸出數(shù)據(jù)去噪、線劃提取、圖符編輯、制圖輸出。

1. 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)的處理采用TrimbleRealWork軟件進行。首先對采集的單站點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理去噪，根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成公共面片，使用軟件的拼接功能將相聯(lián)系的測站區(qū)域進行拼接，軟件自動進行精度檢查，保證兩站間的拼接精度控制在1cm以內(nèi)，從而完成兩站的數(shù)據(jù)拼接。依次進行，得到完成的實景三維點云數(shù)據(jù)。

對點云數(shù)據(jù)進行去植被操作，最終得到測區(qū)點云數(shù)據(jù)(如圖3所示)。

圖3

2. 生成地形圖

進行線劃提取和抽稀輸出，將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS9.0軟件進行圖符編輯，得到最后的測區(qū)現(xiàn)狀圖和平場標(biāo)高圖(如圖4、圖5所示)。

圖4　線劃提取

四、成果應(yīng)用

三維激光掃描數(shù)據(jù)可以為多個方面提供基礎(chǔ)數(shù)

據(jù)，如剖面、土石方、設(shè)計等。

圖5　地質(zhì)災(zāi)害體線劃地形圖

1) 提供等高線、多種縱橫斷面生成方式，可生成任意的斷面線，生成的斷面可以方便地導(dǎo)出到CAD及其他軟件中作進一步加工處理和應(yīng)用。

2) 三維激光掃描的海量高程數(shù)據(jù)可以使土石方計算的方格網(wǎng)精度由米級提高到厘米級，從而使方量計算精度得到提高。

3) 支持基于點云進行形體建模，并且可以手動任意建?；蛑悄茏詣咏?，能夠精細再現(xiàn)掃描地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域；另外對所建三維模型進行真彩色配準(zhǔn)，相機彩色圖片可以配準(zhǔn)貼圖到三維模型，設(shè)計人員可以有身臨其境的體驗。

五、結(jié)束語

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)展將使測繪行業(yè)進入新的發(fā)展階段。三維激光掃描測量可用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑和文物保護、斷面和體積測量等領(lǐng)域。

將三維激光掃描儀應(yīng)用到對地質(zhì)災(zāi)害體的測繪設(shè)計是對傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益擴展與革新，提高工作效率的同時也提高了地質(zhì)災(zāi)害防止與設(shè)計的精度，并且可以提供傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)