許潛金

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙 410000）

三維激光掃描技術(shù)是在GPS技術(shù)基礎(chǔ)上的重大突破，通過應(yīng)用激光掃描方式進行大面積掃描，即可獲得測量對象三維坐標數(shù)據(jù)。在地質(zhì)地形測量中，常用測量技術(shù)類型包括GPS-RTK技術(shù)、數(shù)字攝影技術(shù)等，工作量較大，有些勘測區(qū)域地形條件比較復(fù)雜，因此適用性比較低。通過應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，即可對地標店進行高精度、高密度測量，進而縮短外業(yè)工作所需時間，提高測量效率。因此，對三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)地形測量中的應(yīng)用方式進行深入研究意義重大。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀是由反射棱鏡、測光測速儀所組成的，其中，激光發(fā)射端可應(yīng)用激光測距儀，在發(fā)出激光后，通過發(fā)射棱鏡進行反射，再利用測距儀測量掃描點位斜距，在此基礎(chǔ)上加入掃描點水平方向角度、垂直方向角度，將其作為運算參數(shù)，即可對掃描點、測量點坐標參數(shù)進行準確計算，同時還可獲得測量對象三維坐標。在利用三維激光掃描儀獲得測量數(shù)據(jù)后，即可利用掃描平臺對地形參數(shù)進行計算。

在地形地質(zhì)測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可采用地面型激光掃描系統(tǒng)，其是由攝像設(shè)備、激光發(fā)射設(shè)備、電源以及軟件系統(tǒng)所組成的，通過發(fā)射激光，可對被測目標距離進行測量，再獲得測量數(shù)據(jù)后，利用相關(guān)軟件進行計算，將計算結(jié)果與攝像設(shè)備所得圖像進行有效結(jié)合，即可保證計算結(jié)果準確性，最后，通過應(yīng)用制圖軟件完成圖像處理，即可獲得準確的坐標參數(shù)。在地形地質(zhì)數(shù)據(jù)采集分析中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，所得坐標參數(shù)準確詳細，并且數(shù)據(jù)輸出格式比較多，能夠與各類系統(tǒng)進行兼容，擴大測量數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍。

2 三維激光掃描系統(tǒng)特征

三維激光掃描系統(tǒng)是由激光掃描儀、攝影設(shè)備、數(shù)據(jù)處理平臺、軟件控制平臺以及各類附件所組成的，能夠?qū)⒍喾N高新技術(shù)進行有效結(jié)合。在三維激光掃描技術(shù)的實際應(yīng)用中，只需經(jīng)過較短時間，即可獲得目標區(qū)域詳細的三維立體數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建三維模型，工作形式如圖1所示。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢包括以下幾點：

（1）快速性。在三維激光掃描技術(shù)的實際應(yīng)用中，可在較短時間內(nèi)獲得大面積測量目標的空間信息數(shù)據(jù)，并對大量數(shù)據(jù)進行采集和分析，進而獲得測量對象立體信息。

（2）非接觸性。在利用三維激光掃描技術(shù)對勘測目標進行掃描測量時，無需接觸測量目標即可獲得測量對象實體三維坐標數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量結(jié)果重構(gòu)測量對象原形。

（3）三維激光掃描系統(tǒng)外置數(shù)碼相機能夠協(xié)助掃描工作，并同步實施監(jiān)測、攝影、數(shù)據(jù)編輯等操作，在二維環(huán)境、三維環(huán)境的基礎(chǔ)上，可以真彩色形式顯示點云數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描現(xiàn)場工作形式

3 三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

在地形地質(zhì)測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，工作人員首先需采集野外數(shù)據(jù)，對測區(qū)范圍內(nèi)的環(huán)境特征進行全面細致的考察，根據(jù)實際情況確定測站數(shù)、標靶以及掃描儀的設(shè)置位置，保證掃描站所得數(shù)據(jù)能夠反映出測量范圍，并且在測量過程中盡量減少測站數(shù)量，減少原始數(shù)據(jù)量。另外，在數(shù)據(jù)采集過程中，還應(yīng)同步獲取紋理數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)，再對測量數(shù)據(jù)進行匹配處理，并根據(jù)比例尺設(shè)計要求選擇適宜的數(shù)據(jù)精度，逐站完成掃描。數(shù)據(jù)采集工作流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集工作流程

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在激光點云數(shù)據(jù)處理中，關(guān)鍵工序包括點云匹配、噪聲消除處理、數(shù)據(jù)分隔、坐標、圖像匹配等，各站點掃描儀在掃描過程中，能夠獲得大量點云數(shù)據(jù)，并據(jù)此完成數(shù)據(jù)匹配，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一至坐標系中，對掃描對象進行建模，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。數(shù)據(jù)匹配方式有兩種：

（1）對于掃描過程中所獲得的同一種規(guī)則和形狀的目標匹配公共坐標點，對于多站點的點云數(shù)據(jù)，統(tǒng)一至坐標系中。

（2）根據(jù)GPS測量所得站點坐標，將所有點云轉(zhuǎn)換至固定的地理坐標系統(tǒng)中，確定點云真實位置，便于進行后期處理。在配準完成后，可應(yīng)用手工點云選擇方式消除噪聲，常見噪聲來源包括電線桿、建筑工程、空氣中的漂浮物等等。在消除噪聲后，即可針對處理的點云進行分割，針對目標對象建模，進而獲得清晰紋理招聘，再與點云配準，即可獲得測量范圍內(nèi)地形地質(zhì)的紋理信息。

圖3 數(shù)據(jù)處理工作流程

3.3 生成等高線

為了能夠獲得準確的地形地質(zhì)測量數(shù)據(jù)，在三維激光掃描技術(shù)的實際應(yīng)用中，需增加掃描密度，在地形測繪中點位密度比較大，并且分布形式不均勻。對此，可采用掃描點創(chuàng)建三角網(wǎng)追蹤等值線，在此過程中，所需處理的細節(jié)信息比較多，因此，可能會出現(xiàn)等高線混亂的問題。對此，應(yīng)去除非地形地貌因素的點云數(shù)據(jù)，并根據(jù)地形地質(zhì)測繪實際需要適當細化密度，再將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字測圖軟件，即可形成等高線。

3.4 編輯地形圖

在地形圖編輯過程中，可將等高線、地物圖形進行疊加處理并編輯，去除地物部分數(shù)據(jù)，避免等高線缺失或者扭曲。對于照片以及點云數(shù)據(jù)，需做好手動修改處理，同時還應(yīng)增加高程標記，進而形成圖廓，對局部進行修飾處理。

4 三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的應(yīng)用

4.1 邊坡破壞測量

邊坡的作用在于保證地面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此對邊坡結(jié)構(gòu)進行測量至關(guān)重要，有些邊坡結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，必須及時進行全面測量，全面了解邊坡結(jié)構(gòu)實際情況，據(jù)此制定防護措施，避免發(fā)生邊坡災(zāi)害。在邊坡結(jié)構(gòu)測量中，可應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，全面收集邊坡地形數(shù)據(jù)，再利用掃描處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，創(chuàng)建邊坡三維模型。在完成邊坡建模后，即可對邊坡模型以及測量數(shù)據(jù)進行分析，據(jù)此合理評估邊坡災(zāi)害情況，并制定有效的預(yù)防處理方案，及時做好邊坡加固處理。

4.2 地形測繪

地形地質(zhì)測量工作的主要目標是確定測量區(qū)域范圍內(nèi)的地理情況，在獲得測量數(shù)據(jù)后，據(jù)此繪制地圖。在高比例尺地圖測繪中，通過應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，能夠有效提高測繪工作效率。在三維激光掃描技術(shù)的實際應(yīng)用中，首先需進行全面掃描，在掃描工作開始前，對測量區(qū)域進行分析，根據(jù)激光掃描儀使用性能確定掃描儀安裝數(shù)量以及點位分布形式。在掃描儀安裝完成后，根據(jù)地形圖比例尺要求調(diào)整掃描儀分率。在對測量區(qū)域進行掃描時，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況對掃描站點位置進行適當調(diào)整，保證掃描儀與點位進行有效結(jié)合，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理坐標。在地形地質(zhì)數(shù)據(jù)測量完成后，對于所有數(shù)據(jù)，需轉(zhuǎn)換至地理坐標中，保證能夠有效識別。在坐標轉(zhuǎn)化中，可采用激光掃描系統(tǒng)中的Cyclone軟件，對于所有數(shù)據(jù)，可同時完成轉(zhuǎn)化，進而獲得直觀的數(shù)據(jù)模型。另外，還需創(chuàng)建TN格。在收集獲得測量數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)量大，少量為無效數(shù)據(jù)，對此，測量人員需利用軟件處理無效數(shù)據(jù)，然后形成TN網(wǎng)格，在網(wǎng)格創(chuàng)建完成后還需做好優(yōu)化處理。最后，確定等高線，測量人員只需通過軟件，輸入等高線之間的距離，即可在地形圖的基礎(chǔ)上獲得等高線，進而完成地形圖測繪。

4.3 地質(zhì)裂縫勘察

在地形地質(zhì)勘察中，為了了解地震斷裂帶實際情況，需對對地質(zhì)裂縫進行測量和分析，通過應(yīng)用地質(zhì)探槽技術(shù)即可獲得裂縫數(shù)據(jù)。在地質(zhì)探測中，可應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對勘察區(qū)域進行掃描和拍攝，掃描儀中的照片能夠與點云數(shù)據(jù)進行有效結(jié)合，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锷?。另外，測量人員還可對點云數(shù)據(jù)進行測量，并通過三維處理軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用Geomagic軟件完成點云數(shù)據(jù)處理，并形成高精度網(wǎng)格模型。

4.4 地質(zhì)露頭測量

通過應(yīng)用三維激光掃描儀，可對地質(zhì)露頭層進行測量，進而獲得露頭層詳細數(shù)據(jù)，據(jù)此繪制三維模型，測量人員在模型基礎(chǔ)上即可對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分析，同時地震預(yù)測專家也可據(jù)此合理預(yù)測地震災(zāi)害。在地質(zhì)露頭層勘察中，勘察人員野外作業(yè)量大，工作環(huán)境比較復(fù)雜，而通過應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，只需應(yīng)用高分辨率掃描儀，即可遠程獲得詳細的三維數(shù)據(jù)，在對測量數(shù)據(jù)進行處理后，創(chuàng)建探頭層三維模型，能夠有效提升地質(zhì)勘察效率。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要對地形地質(zhì)測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用要點進行了詳細探究。隨著測量行業(yè)的快速發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)出很多技術(shù)類型，而三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，能夠獲得準確的測量數(shù)據(jù)，提高測量工作效率，同時還可降低勘測成本。因此，在地形地質(zhì)測量中，應(yīng)推廣應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)。