三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用

許潛金

（湖南省地質調查院，湖南 長沙 410000）

三維激光掃描技術是在GPS技術基礎上的重大突破，通過應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據。在地質地形測量中，常用測量技術類型包括GPS-RTK技術、數字攝影技術等，工作量較大，有些勘測區域地形條件比較復雜，因此適用性比較低。通過應用三維激光掃描技術，即可對地標店進行高精度、高密度測量，進而縮短外業工作所需時間，提高測量效率。因此，對三維激光掃描技術在地質地形測量中的應用方式進行深入研究意義重大。

1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀是由反射棱鏡、測光測速儀所組成的，其中，激光發射端可應用激光測距儀，在發出激光后，通過發射棱鏡進行反射，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，即可對掃描點、測量點坐標參數進行準確計算，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據后，即可利用掃描平臺對地形參數進行計算。

在地形地質測量中應用三維激光掃描技術，可采用地面型激光掃描系統，其是由攝像設備、激光發射設備、電源以及軟件系統所組成的，通過發射激光，可對被測目標距離進行測量，再獲得測量數據后，利用相關軟件進行計算，將計算結果與攝像設備所得圖像進行有效結合，即可保證計算結果準確性，最后，通過應用制圖軟件完成圖像處理，即可獲得準確的坐標參數。在地形地質數據采集分析中應用三維激光掃描技術，所得坐標參數準確詳細，并且數據輸出格式比較多，能夠與各類系統進行兼容，擴大測量數據應用范圍。

2 三維激光掃描系統特征

三維激光掃描系統是由激光掃描儀、攝影設備、數據處理平臺、軟件控制平臺以及各類附件所組成的，能夠將多種高新技術進行有效結合。在三維激光掃描技術的實際應用中，只需經過較短時間，即可獲得目標區域詳細的三維立體數據，并創建三維模型，工作形式如圖1所示。三維激光掃描技術的應用優勢包括以下幾點：

（1）快速性。在三維激光掃描技術的實際應用中，可在較短時間內獲得大面積測量目標的空間信息數據，并對大量數據進行采集和分析，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據，并根據測量結果重構測量對象原形。

（3）三維激光掃描系統外置數碼相機能夠協助掃描工作，并同步實施監測、攝影、數據編輯等操作，在二維環境、三維環境的基礎上，可以真彩色形式顯示點云數據。

圖1 三維激光掃描現場工作形式

3 三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用

3.1 數據采集

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

圖2 數據采集工作流程

3.2 數據預處理

在激光點云數據處理中，關鍵工序包括點云匹配、噪聲消除處理、數據分隔、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據，并據此完成數據匹配，將所有數據統一至坐標系中，對掃描對象進行建模，數據處理流程如圖3所示。數據匹配方式有兩種：

（1）對于掃描過程中所獲得的同一種規則和形狀的目標匹配公共坐標點，對于多站點的點云數據，統一至坐標系中。

（2）根據GPS測量所得站點坐標，將所有點云轉換至固定的地理坐標系統中，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地形地質的紋理信息。

圖3 數據處理工作流程

3.3 生成等高線

為了能夠獲得準確的地形地質測量數據，在三維激光掃描技術的實際應用中，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，可采用掃描點創建三角網追蹤等值線，在此過程中，所需處理的細節信息比較多，因此，可能會出現等高線混亂的問題。對此，應去除非地形地貌因素的點云數據，并根據地形地質測繪實際需要適當細化密度，再將所有數據導入數字測圖軟件，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，去除地物部分數據，避免等高線缺失或者扭曲。對于照片以及點云數據，需做好手動修改處理，同時還應增加高程標記，進而形成圖廓，對局部進行修飾處理。

4 三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用

4.1 邊坡破壞測量

邊坡的作用在于保證地面結構穩定性，因此對邊坡結構進行測量至關重要，有些邊坡結構已發生破壞，必須及時進行全面測量，全面了解邊坡結構實際情況，據此制定防護措施，避免發生邊坡災害。在邊坡結構測量中，可應用三維激光掃描技術，全面收集邊坡地形數據，再利用掃描處理軟件進行數據處理，創建邊坡三維模型。在完成邊坡建模后，即可對邊坡模型以及測量數據進行分析，據此合理評估邊坡災害情況，并制定有效的預防處理方案，及時做好邊坡加固處理。

4.2 地形測繪

地形地質測量工作的主要目標是確定測量區域范圍內的地理情況，在獲得測量數據后，據此繪制地圖。在高比例尺地圖測繪中，通過應用三維激光掃描技術，能夠有效提高測繪工作效率。在三維激光掃描技術的實際應用中，首先需進行全面掃描，在掃描工作開始前，對測量區域進行分析，根據激光掃描儀使用性能確定掃描儀安裝數量以及點位分布形式。在掃描儀安裝完成后，根據地形圖比例尺要求調整掃描儀分率。在對測量區域進行掃描時，需根據現場實際情況對掃描站點位置進行適當調整，保證掃描儀與點位進行有效結合，將測量數據轉換為地理坐標。在地形地質數據測量完成后，對于所有數據，需轉換至地理坐標中，保證能夠有效識別。在坐標轉化中，可采用激光掃描系統中的Cyclone軟件，對于所有數據，可同時完成轉化，進而獲得直觀的數據模型。另外，還需創建TN格。在收集獲得測量數據后，數據量大，少量為無效數據，對此，測量人員需利用軟件處理無效數據，然后形成TN網格，在網格創建完成后還需做好優化處理。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上獲得等高線，進而完成地形圖測繪。

4.3 地質裂縫勘察

在地形地質勘察中，為了了解地震斷裂帶實際情況，需對對地質裂縫進行測量和分析，通過應用地質探槽技術即可獲得裂縫數據。在地質探測中，可應用三維激光掃描技術對勘察區域進行掃描和拍攝，掃描儀中的照片能夠與點云數據進行有效結合，將點云數據轉變為實物色差。另外，測量人員還可對點云數據進行測量，并通過三維處理軟件進行數據處理和分析，采用Geomagic軟件完成點云數據處理，并形成高精度網格模型。

4.4 地質露頭測量

通過應用三維激光掃描儀，可對地質露頭層進行測量，進而獲得露頭層詳細數據，據此繪制三維模型，測量人員在模型基礎上即可對地質結構進行分析，同時地震預測專家也可據此合理預測地震災害。在地質露頭層勘察中，勘察人員野外作業量大，工作環境比較復雜，而通過應用三維激光掃描技術，只需應用高分辨率掃描儀，即可遠程獲得詳細的三維數據，在對測量數據進行處理后，創建探頭層三維模型，能夠有效提升地質勘察效率。

5 結語

綜上所述，本文主要對地形地質測量中三維激光掃描技術的應用要點進行了詳細探究。隨著測量行業的快速發展，逐漸涌現出很多技術類型，而三維激光掃描技術的應用優勢明顯，能夠獲得準確的測量數據，提高測量工作效率，同時還可降低勘測成本。因此，在地形地質測量中，應推廣應用三維激光掃描技術。