三維激光掃描儀在地質災害地形測繪中的應用

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災害地形測繪中的應用

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合系統，包括地面三維激光掃描儀、數碼相機、后處理軟件、電源及附屬設備，通過非接觸式高速激光測量方式獲取地形或復雜物體的幾何圖形數據和影像數據。

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

由激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間可以獲得被測目標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(云點)，進而轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型(如圖1所示)。

圖1　掃描點坐標計算原理

最后通過后處理軟件對采集的點云數據和影像數據進行處理，并轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，且以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數據庫的數據源和不同應用的需要。

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的數據獲取速度，可以在3min時間內完成一次典型的測量任務。TX8在其120m測程范圍內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的配套軟件。掃描儀獲取的數據噪聲點少，大大減少了內業數據處理所需的時間。TrimbleTX8獲取的數據可以直接導入TrimbleRealWorks軟件和Trimble掃描瀏覽器軟件中。通過TrimbleTX8和TrimbleRealWorks的配合，可以提供高效數據流給各種主流的CAD軟件。

二、作業方法

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、數據處理

數據處理主要包括兩大部分：點云數據處理(導入、去噪、拼接、拼接精度檢核、抽稀、輸出)，輸出數據去噪、線劃提取、圖符編輯、制圖輸出。

1. 點云數據預處理

點云數據的處理采用TrimbleRealWork軟件進行。首先對采集的單站點云數據進行預處理去噪，根據點云數據生成公共面片，使用軟件的拼接功能將相聯系的測站區域進行拼接，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，從而完成兩站的數據拼接。依次進行，得到完成的實景三維點云數據。

對點云數據進行去植被操作，最終得到測區點云數據(如圖3所示)。

圖3

2. 生成地形圖

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

圖4　線劃提取

四、成果應用

三維激光掃描數據可以為多個方面提供基礎數

據，如剖面、土石方、設計等。

圖5　地質災害體線劃地形圖

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出到CAD及其他軟件中作進一步加工處理和應用。

2) 三維激光掃描的海量高程數據可以使土石方計算的方格網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模或智能自動建模，能夠精細再現掃描地質災害區域；另外對所建三維模型進行真彩色配準，相機彩色圖片可以配準貼圖到三維模型，設計人員可以有身臨其境的體驗。

五、結束語

三維激光掃描技術是測繪領域的新技術，它突破了傳統單點測量的數據處理方法，為測繪領域提供了一條新的研究方向，其出現與發展將使測繪行業進入新的發展階段。三維激光掃描測量可用于變形監測、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域。

將三維激光掃描儀應用到對地質災害體的測繪設計是對傳統地質災害調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災害防止與設計的精度，并且可以提供傳統方法難以獲得的數據資料。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)