王穎玉

青島地礦巖土工程有限公司，中國(guó)·山東 青島 266000

三維激光掃描技術(shù)；滑坡物理模型試驗(yàn)；應(yīng)用；要點(diǎn)

1 引言

在中國(guó)地質(zhì)力學(xué)發(fā)展中，滑坡模型試驗(yàn)是地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)以滑坡這一特定自然危害為研究對(duì)象的試驗(yàn)技術(shù)方式，對(duì)于中國(guó)地質(zhì)力學(xué)發(fā)展以及現(xiàn)代民生工程建設(shè)中的山體工程、水利工程都有著重要的影響意義。隨著現(xiàn)代技術(shù)體系的研發(fā)與應(yīng)用，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為滑坡物理模型試驗(yàn)提供了現(xiàn)代化技術(shù)支持，能夠有效提升滑坡物理模型試驗(yàn)的精準(zhǔn)度，為地質(zhì)力學(xué)發(fā)展提供了技術(shù)支持。

2 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)也被稱(chēng)之為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是地質(zhì)測(cè)繪科研領(lǐng)域在GPS 技術(shù)之后最新的技術(shù)成果。三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)九十年代出現(xiàn)的高新技術(shù)體系，是以高速激光掃描進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)測(cè)量的技術(shù)方式，能夠進(jìn)行大面積的地質(zhì)檢測(cè)并高分辨率地快速采集檢測(cè)對(duì)象表層的三維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)中單點(diǎn)測(cè)量方式的突破，具備了高效率、高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且通過(guò)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行掃描檢測(cè)時(shí)，能夠生成物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)技術(shù)應(yīng)用，獲取到高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型，對(duì)于地質(zhì)測(cè)繪工作的發(fā)展有著劃時(shí)代的意義。三維激光掃描技術(shù)的原理是以激光測(cè)距為核心，通過(guò)對(duì)測(cè)繪物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、反射率情況以及紋理信息等的采集與記錄，復(fù)建出被測(cè)物體的三維測(cè)繪模型，并且生成線(xiàn)、面、體等各種測(cè)繪數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)信息數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)采集以及采集數(shù)據(jù)結(jié)果的三維數(shù)據(jù)生成，這對(duì)中國(guó)地質(zhì)測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展有著重要意義，對(duì)于中國(guó)文物古跡保護(hù)、建筑規(guī)劃、土木工程建設(shè)、建筑檢測(cè)以及軍事分析等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在三維激光掃描技術(shù)中，根據(jù)測(cè)量方式的不同可以分為基于脈沖式、基于相位差以及基于三角測(cè)距原理等三種技術(shù)類(lèi)型；根據(jù)其技術(shù)用途可以分為室內(nèi)型以及室外型，主要是根據(jù)測(cè)量距離來(lái)決定的。在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中，基于相位差的三維激光掃描儀測(cè)量距離較短，僅有百米左右；而基于脈沖式原理的三維激光掃描儀的測(cè)量距離較長(zhǎng)，最遠(yuǎn)能夠?qū)? 公里以?xún)?nèi)的測(cè)量對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)。

3 三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用的價(jià)值

滑坡物理模型試驗(yàn)作為當(dāng)前中國(guó)地質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域?qū)逻@一研究對(duì)象的主要試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)于中國(guó)地質(zhì)安全工作開(kāi)展以及山體工程、水利工程等民生工程建設(shè)都有著重要的影響意義。而隨著三維激光掃描技術(shù)的日益完善，在滑坡物理模型試驗(yàn)中也逐漸開(kāi)始應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，大大提升了滑坡物理模型試驗(yàn)的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息測(cè)繪效果和測(cè)繪精準(zhǔn)性，為中國(guó)地質(zhì)力學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展提供了高新技術(shù)體系支持。三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量。在滑坡物理模型試驗(yàn)中，需要對(duì)山體數(shù)據(jù)或者工程施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量方式中，需要與測(cè)量對(duì)象進(jìn)行接觸才能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量效果。而三維激光掃描技術(shù)則可以通過(guò)激光掃描的形式對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行非接觸式的測(cè)量，這就降低了滑坡物理模型試驗(yàn)中測(cè)量工作的難度，避免了傳統(tǒng)測(cè)量中測(cè)量設(shè)備以及測(cè)量人員難以測(cè)量的情況發(fā)生，降低了測(cè)量工作的難度。

第二，測(cè)量數(shù)據(jù)采集率較高。對(duì)測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)采集效率直接關(guān)系到了滑坡物理模型試驗(yàn)的實(shí)效性，傳統(tǒng)測(cè)量方式由于測(cè)量效率原因，會(huì)嚴(yán)重降低滑坡物理模型試驗(yàn)的效率。而三維激光掃描技術(shù)的三維激光掃描儀能夠達(dá)到數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒的數(shù)據(jù)采集效率，這就大大提升了滑坡物理模型試驗(yàn)的速度，降低了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

第三，能夠突破時(shí)間和空間的約束。三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)主要發(fā)射掃描激光的形式對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的，通過(guò)對(duì)激光回波數(shù)據(jù)的收集分析，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象數(shù)據(jù)信息的匯總儲(chǔ)存，不會(huì)受測(cè)量環(huán)境的時(shí)間和空間約束，對(duì)于滑坡物理模型試驗(yàn)的山體對(duì)象測(cè)量有著重要意義。

第四，具有高分辨率、高精度的技術(shù)特點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)通過(guò)激光對(duì)測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，能夠快速而準(zhǔn)確的獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，對(duì)掃描測(cè)量對(duì)象進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，以此能夠提升測(cè)量數(shù)據(jù)采集的分辨率，為滑坡物理模型試驗(yàn)提供高分辨的掃描數(shù)據(jù)支持。

第五，測(cè)量數(shù)據(jù)易于實(shí)驗(yàn)處理。三維激光掃描技術(shù)對(duì)測(cè)量對(duì)象所采集的數(shù)據(jù)信息是以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出的，具有數(shù)字信號(hào)易理的特征，并且方便在滑坡物理模型試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)輸出與使用，并且方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、交換以及實(shí)驗(yàn)共享等，能夠優(yōu)化滑坡物理模型試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理流程。

第六，能夠與GPS 系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，可以同時(shí)結(jié)合GPS 系統(tǒng)進(jìn)行使用，并且通過(guò)GPS 系統(tǒng)的數(shù)碼攝像設(shè)備以及定位系統(tǒng)的輔助，能夠進(jìn)一步提升三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量信息采集效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)性的進(jìn)一步提升。

4 現(xiàn)階段滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的困境

雖然現(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)愈加完善，在滑坡物理模型試驗(yàn)中的應(yīng)用也愈加廣泛，但是在滑坡物理模型試驗(yàn)的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中，仍然存在一些現(xiàn)實(shí)因素的影響，導(dǎo)致了三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中的應(yīng)用效果受到了影響?，F(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用的困境主要就是滑坡物理模型試驗(yàn)中的科研人員對(duì)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能力有待提升。三維激光掃描技術(shù)作為新時(shí)期測(cè)繪工程領(lǐng)域的高新技術(shù)成果，當(dāng)其在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用時(shí)，需要通過(guò)試驗(yàn)人員具有三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)能力，才能夠保證三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的效果和質(zhì)量。但是在目前階段的滑坡物理模型試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員還存在著對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用能力不足的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因此影響了三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用的實(shí)效性。針對(duì)于此，在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，就要充分注重對(duì)實(shí)驗(yàn)人員三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用能力培訓(xùn)與強(qiáng)化，保證試驗(yàn)中三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的效果[1]。

5 三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用的要點(diǎn)

在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，需要充分把控其應(yīng)用要點(diǎn)，提升三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的整體質(zhì)量，根據(jù)滑坡物理模型試驗(yàn)的對(duì)象不同，科學(xué)化應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，提升滑坡物理模型試驗(yàn)結(jié)果的精確性。

首先，滑坡物理模型試驗(yàn)中三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形測(cè)量要點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)對(duì)測(cè)量對(duì)象掃描獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)為密集的單個(gè)掃描點(diǎn)的集合，被稱(chēng)之為點(diǎn)云。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了測(cè)量對(duì)象的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及反射強(qiáng)度，在滑坡物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件系統(tǒng)對(duì)三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理，主要包含了噪聲去除、標(biāo)靶定位、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云簡(jiǎn)化以及變形測(cè)量等操作流程。噪聲去除就是將三維激光掃描技術(shù)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)中大于掃描設(shè)定范圍的物點(diǎn)數(shù)據(jù)以及不屬于研究物體本身的其他物體點(diǎn)進(jìn)行清除，以提升測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。標(biāo)靶定位就是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地理地位定位。然后通過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)和簡(jiǎn)化，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系統(tǒng)中，并對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。然后通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變形測(cè)量，實(shí)現(xiàn)滑坡物理模型試驗(yàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用[2]。

其次，滑坡物理模型試驗(yàn)中三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的誤差數(shù)據(jù)處理要點(diǎn)。在滑坡物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，由于三維激光掃描儀自身、測(cè)量對(duì)象以及外界環(huán)境等因素都容易導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生。因此在滑坡物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需要盡可能降低測(cè)量誤差，提升測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。因此在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，就需要保障三維激光掃描儀的運(yùn)行狀態(tài)，在環(huán)境穩(wěn)定的室內(nèi)進(jìn)行滑坡物理模型試驗(yàn)的掃描過(guò)程，避免外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)量對(duì)象的掃描產(chǎn)生影響，包括了掃描環(huán)境溫度、濕度、氣壓、光照以及掃描儀器振動(dòng)等多方面的影響因素，全面提升滑坡物理模型試驗(yàn)中三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的效果和質(zhì)量，降低三維激光掃描技術(shù)對(duì)測(cè)量對(duì)象采集數(shù)據(jù)誤差，提升掃描數(shù)據(jù)信息的精度，為滑坡物理模型試驗(yàn)的高質(zhì)量開(kāi)展提供高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)支持[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)后新型技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量工作開(kāi)展中單點(diǎn)測(cè)量方式的突破。三維激光掃描技術(shù)在滑坡物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用時(shí)，能夠有效提升滑坡物理模型試驗(yàn)中對(duì)測(cè)量對(duì)象數(shù)據(jù)采集的精度，通過(guò)對(duì)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)的嚴(yán)格把控，能夠?yàn)榛挛锢砟Ｐ驮囼?yàn)的高質(zhì)量開(kāi)展提供高精度的測(cè)量對(duì)象數(shù)據(jù)采集信息支持，推動(dòng)中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害研究、山體工程以及水利工程等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。