三維激光掃描技術及其在地形地質測量中的應用

雷澤飛

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質勘測設計院，貴州 貴陽 550001）

相比較傳統的測量方式，三維激光掃描技術具有高測量精度，高工作效率等優點，在各行業當中應用日漸廣泛。尤其是在地形地質測量當中，可以通過激光的放射，對所測量區域的數據進行精準的采集，且工作范圍較廣，可以極大的提高地形地質的測量精度和工作效率。因此，研究分析三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用具有重要的現實意義。

1 三維激光掃描技術的優勢

（1）掃描硬件的技術優勢。①掃描速度：相比較傳統的掃描技術，采用三維激光可以實現每秒數萬點的掃描速度，極大的提高數據采集的工作效率，縮短了野外數據采集工作的時間，保障了相關工作人員的安全[1]。②掃描結構：隨著科學技術的發展，三維激光掃描技術進一步的集成化，掃描電池內置、高分辨率觸摸屏、高分辨率的數碼相機等組成了三維激光掃描儀，不僅便于相關工作人員進行操作，而且攜帶方便。③視場角和精確度：現階段，三維激光掃描技術可以實現全景掃描，有效的擴大了測量區域的掃描范圍，同時還具有現細微掃描點的測量的功能，精確度進一步得到了提高，可以滿足需求者對不同級別精度數據的要求[2]。

（2）軟件方面的應用優勢。①處理量：利用掃描軟件，可以在較短的時間內對數以億計的數據進行處理和存儲，極大的提高了對數據的處理效率，幫助相關工作者可以更為精準和快速的獲得所需的測量信息。②功能齊全：當前三維激光掃描技術不僅可以完成建模、地形精準測量等功能，而且還具有二維線條提取等功能，可以滿足不同行業的不同功能需求，在建筑結構測繪、工業設計、地形地質測量等多個領域應用十分廣泛。

2 三維激光掃描技術在地形地質測量中應用

（1）監測邊坡安全。對于邊坡而言，很容易出現滑坡等嚴重的地質災害。因此必須采取有效的技術手段，對邊坡的實時情況進行監測，預測可能存在的邊坡破壞，并采取有效的措施對邊坡破壞進行預測。采用三維激光掃描技術，可以精準的對邊坡災害進行精準的掃描測量，掌握災害發生前后的地形變化情況，從而幫助相關工作者制定科學合理的技術措施，預防二次邊坡破壞。

（2）研究地質露頭。在進行地質露頭研究過程中，應用三維激光掃描技術，可以為相關工作者開展地質災害預防和地震災害研究提供幫助。此外，在采用三維激光掃描技術的過程中，增設內置相機還可以幫助相關工作者獲得較為清晰的影像資料，幫助其后期進行數據分析時，可以更精準的掌握現場的地質信息。此外，在進行地質露頭測量過程中，還可以實現彩色Mesh模型的搭建，利用點、線、面等信息實現三維空間的數據信息獲取，并將DXF格式的數據導入到后期的灰繪圖當中，有效的提高了地質露頭測量的準確性。

（3）測繪基礎地形。借助三維激光掃描技術，還可以幫助相關工作者，在進行基礎地形測繪中，更精準的進行地形圖的繪制。主要測量步驟如下所示：①掃描作業：首先結合所需進行基礎地形繪制區域的地形地貌特點，對三維掃描儀的站點進行科學合理的設置，然后根據各個站點不同的情況，設置相對應的掃描分辨率，最后控制好各個站點的掃描范圍和地理坐標，完成整個地形的掃描作業。②將掃描所獲得的采集數據進行轉換，并利用相關的軟件，將不同站點掃描所獲得數據拼接到同一個坐標系中。③構建TIN網：利用軟件對掃描所獲得數據中的建筑物以及植被等信息進行提出，構建并優化TIN網。并在此基礎上，進行等高線的生成，最終完成基礎地形信息的繪制作業。

（4）研究地質裂縫。通過三維激光掃描技術進行地質探測，可以對所探測區域內的實際情況進行精準的勘查，包括所勘查區域的地質裂縫及其形狀。這樣，不僅可以實現地質裂縫的高清晰度、高密度照片的獲取，而且能夠將采集到的數據繪制成三維模型，便于相關工作者對地質裂縫展開分析。

3 三維激光掃描技術應用實例分析

某水利工程項目存在一處公路邊坡滑坡，由于公路的施工開挖，導致該處邊坡坡角的阻滑體被挖出，存在較大的滑坡地質災害風險。為了有效的對此邊坡的現狀進行監測，并為后期的治理措施提供科學的數據支持，本工程計劃采用三維激光掃描技術對該處邊坡進行掃描和數據采集。

（1）掃描測站和后視點坐標的獲取。首先將三維激光掃描儀架設在加密點T1，并在T2設置反射標靶。受到三維激光掃描儀本身測程的硬性，不同測站的測量數據如何拼接到一起，都需要標靶來完成，因此根據掃描儀測程，需要在各相鄰測站重合的位置布設3個以上形成不規則圖形的標靶，以供點云拼接需要。

（2）點云數據的采集。①布設：結合本工程的實際情況，計劃采用分兩站進行掃描測量，并選擇合適的位置進行測站和后視點的定位。②掃描：首先將三維激光掃描儀架設在事先選定的測站上，確保儀器參數調整無誤后，進行邊坡指定區域的掃描作業（如圖1所示）。③精掃：對該場景進行掃描結束后，對后視點所在區域進行精細掃描，并嚴格控制不同測站的中心位置，確保最后的點云數據可以處于同一坐標系統下進行拼接。

圖1 掃描后點云數據示意圖

圖2 點云數據拼接示意圖

（3）數據處理。本工程根據兩站所獲得掃描數據，利用Cyclone軟件對其進行拼接處理，從而獲得該邊坡區域的完整掃描數據。點云數據拼接后的圖形如圖2所示。

（4）采用三維激光掃描技術與傳統方法監測數據的對比。由于本工程針對滑坡的變形監測大多是采用全站儀進行水平位移的監測，為了驗證三維激光掃描技術數據的精準性，特采用全站儀對該區域進行了二次測量。對比兩次測量所得結果，各監測點的偏差值均滿足滑坡體監測點精度要求。

4 結語

綜上所述，隨著科學技術的發展，越來越多的新技術和新材料被應用到各行各業當中，推動了人們社會的發展與進步。三維激光掃描技術具有高精度，掃描范圍廣等優點，可以有效提高地形地質測量的精度和作業效率，提高野外作業過程中相關工作人員的安全性，值得進一步的推廣和應用。