三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)研究中的應(yīng)用(一)

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(shù)在地形地質(zhì)研究中的應(yīng)用(一)

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 孫德鴻 王占超

一、三維激光掃描技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著儀器制造技術(shù)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(shù)已經(jīng)逐漸成為廣大科研和工程技術(shù)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(shè)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(shè)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(guān)操作，數(shù)據(jù)結(jié)果的精度也能滿足越來越多領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)備管道建模、建筑物的建模到非規(guī)則復(fù)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(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用的領(lǐng)域有:① 遺產(chǎn)、文物保護;② 工業(yè)設(shè)計、檢測，工廠改擴建及數(shù)字化管理;③ 建筑、橋梁、基礎(chǔ)設(shè)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(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)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(shù)在地形測繪和地質(zhì)研究中的作用

三維激光掃描技術(shù)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(xué)、科研單位、施工單位已開始嘗試將三維激光掃描技術(shù)與地形測繪、地質(zhì)調(diào)查、滑坡監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害研究等相結(jié)合，探討該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用，并積累了豐富的經(jīng)驗。下面介紹一些應(yīng)用方向。

1.邊坡安全監(jiān)測

邊坡破壞的預(yù)測以及邊坡破壞后的狀況把握及二次災(zāi)害的防止預(yù)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(zāi)害發(fā)生前后的地形變化測繪、二次破壞防止的預(yù)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(shè)計、邊坡災(zāi)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(shè)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(chǔ)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(guān)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(zāi)害預(yù)防、地震研究、礦藏探測等提供基礎(chǔ)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(dǎo)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)站或控制掃描標靶的方式，將每個站點與地理坐標的關(guān)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。基于TIN，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(guān)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(shù)，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(dǎo)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(yīng)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(fēng)，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(zāi)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(shù)是目前國際上最先進的測量方法之一，本應(yīng)用就是將三維激光掃描技術(shù)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)