地面三維激光掃描技術在地質調查中的應用

陳洪，周杰

(四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川成都610072)

1 概述

我國西部地區的水電開發往往在高山峽谷中進行，邊坡陡峭，常常使地質調查工作很難開展，需要耗費大量的人力、物力以及時間。傳統地質調查方法不能滿足水電工程建設中效率與效益并重的需要;地面三維激光掃描技術進行地質調查的方法應運而生，該技術的產生是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術改革［1］。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，其直接將各種大型、復雜、不規則的實體的三維數據完整的采集到電腦中，重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據，同時可以進行各種后處理工作(如測繪、計量、分析、仿真、虛擬現實等)。將這種先進的技術應用到地質調查中，對工程建設具有很強的現實意義。筆者在對該項技術進行介紹的同時，結合工程實例，論述了該項技術在地質調查過程中對掃描信息的解譯過程及巖體結構面參數測量的原理與方法。

2 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是一種可以大面積、快速度、高精度、大密度取得地物的三維形態及坐標的測量設備，內含掃描棱鏡，不需反射棱鏡即可精確測得掃描點的三維坐標，掃描得到的點云數據包含坐標信息、反射率信息、顏色信息等。三維激光掃描儀可分為星載、機載和地面激光掃描儀三種，地面三維激光掃描儀根據測量方式還可以細分為移動式激光掃描儀和固定式激光掃描儀［2］。地面固定式三維激光掃描儀是目前最為常見的三維激光掃描裝置。筆者以加拿大Optech公司生產的ILRIS 36D地面三維激光掃描儀為討論對象，掃描數據處理使用的軟件為Polyworks9.0，該軟件有較好的兼容性，導出的數據可以直接用于其它軟件(如AutoCAD，Catia，GoCAD等)。目前市場上激光掃描儀及其數據處理軟件種類很多，但總體來說，整個掃描及數據處理過程大致相同。

3 地面三維激光掃描儀在地質調查中的應用

利用地面三維激光掃描儀對地質環境進行信息的記錄以及建模，相對于利用傳統手段進行現場地質調查具有相當多的優點，所獲取的資料更加科學、準確、真實且具有極大的空間便利性。對于不允許攀登或觸及不到的位置進行掃描，所獲取的數據具有多種應用可能，更加保障了現場工作人員的人身安全。

3.1 結構面的識別方法

結構面是地質調查的一個重要內容，三維激光掃描技術僅獲取地質體表面的三維數據，獲取的只是結構面的地表出露部分。結構面的識別必須與實際地質情況相結合，如深溪溝水電站在進行激光掃描采集數據后，有些結構面特征明顯、產狀穩定(圖1)，這樣的結構面可以直接在點云數據上進行識別;而對于特征不明顯、規模小、產狀有變化的結構面(圖2)，則要參考現場調查、現場照片等來判斷結構面性狀。

3.2 結構面產狀等相關測量

地面三維激光掃描儀的數據處理軟件Ploy-works未直接提供結構面產狀測量模塊，但可以利用該軟件中的擬合平面模塊模擬出結構面，從而進行結構面產狀等相關測量。首先將要測的產狀結構面選中并擬合成一個平面(圖3)，便可顯示當前結構面的平面方程參數A=－0.400 539，B=0.639 029，C=－0.656 666(圖4)。

圖1 結構面特征明顯

圖2 結構面特征不明顯

圖3 選中并擬合結構面

圖4 查看所選結構面的平面方程參數

根據平面一般式方程Ax+By+Cz+D=0(其中A，B，C組成平面法向量坐標n，即n={A，B，C})二次開發程序即可較準確的得到結構面產狀(圖5)，該結構面走向為NE，傾向SE，傾角約48.95°。

圖5 結構面產狀計算結果

3.3 危巖體三維尺寸及角度測量

在很多水電工程中，需要對高位危巖體進行調查。對于此類危巖體，調查人員難以靠近并接觸到危巖體進行尺寸及角度測量(圖6)。此時，地面三維激光掃描技術發揮了重要作用，利用該技術可以實現不用現場實地測量而能準確真實的獲取數據，也更好的保障了調查人員的人身安全。

圖6 危巖體尺寸及角度測量

3.4 面積及體積測量

地面三維激光技術獲取到的三維數據不但可以計算危巖體的面積、體積，而且可以在工程應用中用來計算土石方量、開挖體積變化等。在汶川大地震后于唐家山堰塞湖滑坡區每間隔一周左右對滑坡區進行一次掃描，將兩次獲取的掃描數據結果疊加在一起進行體積對比分析，能夠清楚、直觀的根據模型顏色變化看出滑坡體的變化情況。

另外，可以把得到的結構面等模型導入到Catia軟件中，與Catia軟件配合使用。

4 結語

地面三維激光掃描技術在地質調查中有著廣泛的應用前景，可以大大減輕地質調查的勞動強度，提高效率和安全系數。該技術突破了傳統測量方式，從點測量發展為面測量，具有測量速度快、精度高等特點［3］。但是，該項技術也存在一些不足，比如受安全激光功率局限導致有效掃描距離有限;潮濕的地面和綠色植被等反射率較低的物體會導致掃描范圍內出現盲區等，需要進一步進行改進、完善。目前，地面三維激光掃描技術處于一個發展、更新階段，將其應用到地質工程領域并加深這方面的研究工作，使其成為未來地質調查的有效工具具有重要的工程意義。