三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)工程精度測量中的應(yīng)用

馬黎明

（天水三和數(shù)碼測繪院有限公司，甘肅 天水 741000）

此次探討的三維激光掃描技術(shù)在各領(lǐng)都域得到了廣泛的使用，在經(jīng)過了廣泛的使用以及長期的研究，其發(fā)展得到了顯著的提升。對于傳統(tǒng)的測量方法，無論是測量精確度以及工作效率都相對較低。然而隨著三維激光掃描技術(shù)投入到地形地勢的測量環(huán)節(jié)中，在解決實(shí)際的工作問題時(shí)，也不斷的提高了相應(yīng)地質(zhì)勘探工作人員的工作效率[1]。使得勘探工作更加穩(wěn)步進(jìn)行，同時(shí)也使得相應(yīng)的勘探數(shù)據(jù)精確度逐步提高。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光技術(shù)是由20世紀(jì)20年代開發(fā)出了一種全新的測繪測量技術(shù)，其主要是通過激光來完成相應(yīng)的描繪測距等具體工作。在對物件進(jìn)行掃描環(huán)節(jié)中，利用激光技術(shù)對相應(yīng)數(shù)據(jù)收集對象反復(fù)的信息采取以及處理，從而得到被采集對象具體的三維信息，在完成信息的采取以及處理后，通過相應(yīng)的掃描軟件對相應(yīng)被采集目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的描繪工作[2]。通過三維激光掃描技術(shù)可以對原物原景進(jìn)行高精確度的還原，并且具有測量響應(yīng)速度快以及整齊度高的特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)通過定位、計(jì)算以及測量等多種工作的開展來完成最終的精確測量還原工作，對應(yīng)的操作人員對相應(yīng)的信息進(jìn)行測試最終完成掃描定位。

現(xiàn)階段常見的三維激光掃描包括激光掃描技術(shù)、空氣激光掃描技術(shù)。而對應(yīng)的激光掃描技術(shù)可以廣泛的運(yùn)用到現(xiàn)目前各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，例如汽車制造工業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事以及航空航天等都有涉及。目前，我國對于三維激光測量技術(shù)其主要適用于對工程項(xiàng)目進(jìn)行三維立體的測量，而對應(yīng)的操作流程相對較簡單，且操作成本不高。相應(yīng)的操作工過程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)高精度以及掃描和測量。其相應(yīng)具體的測量成本較低。現(xiàn)目前，三維激光掃描技術(shù)具備較高的應(yīng)用價(jià)值，其對應(yīng)的應(yīng)用潛力還可以進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘。

2 三維激光掃描技術(shù)原理和地形圖精確測繪

2.1 三維激光掃描技術(shù)原理

在地質(zhì)工程測量環(huán)節(jié)中常使用到的三維激光掃描技術(shù)主要可以分為移動(dòng)式激光掃描和固定式激光掃描。所謂固定式激光掃描是由控制系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)以及掃描儀組成，并且與全站儀工作流程相似，其掃描速度較快且覆蓋面積較廣精確度較高[3]。移動(dòng)式激光掃描則具有較高的機(jī)動(dòng)性，其中包含固定式三維激光掃描等，結(jié)合全球定位系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)可以輔以車載平臺進(jìn)行組合。激光測距作為當(dāng)代三維激光技術(shù)最基本的工作方式，其根據(jù)掃描以及反射從而得到相應(yīng)的激光強(qiáng)度，再對激光強(qiáng)度再進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算可得到對應(yīng)的掃描點(diǎn)相應(yīng)的灰度，顏色灰度與反射強(qiáng)度再進(jìn)行比較從而達(dá)到測量的最終目的，如圖1。

圖1 地面激光掃描儀系統(tǒng)

2.2 地形圖精確測繪

在進(jìn)行測繪地形圖的繪制環(huán)節(jié)中，通常根據(jù)當(dāng)?shù)氐孛惨约暗匚锾卣鳎ㄟ^地面三維激光掃描儀對相應(yīng)測繪目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、篩選、計(jì)算等相關(guān)工作。且需要注意對數(shù)據(jù)中無用無效且重復(fù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行刪除，選取具有代表性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考。同時(shí)需要通過相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及流程編輯，并且相關(guān)工作將數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行等比例的放大，從而繪制出有效的地形圖案。在具體的繪制過程中要注意等高線分層處理等方法，確保相應(yīng)等高線生成具備有效性、準(zhǔn)確性。同時(shí)還要對云數(shù)據(jù)中植被等相應(yīng)非地貌因素以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，篩選盡量的采用平均面迭代法，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理工作。同時(shí)還需要計(jì)算相應(yīng)剩下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得平均面等，以此為基礎(chǔ)去掉較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，在經(jīng)過六次的迭代以后就可以獲得較為精確的地貌特征。同時(shí)在經(jīng)過多次的篩選以及數(shù)據(jù)剔除之后，可以得到較為松散且密度較大不均勻的點(diǎn)位分布。再進(jìn)行相映的自動(dòng)點(diǎn)抽稀處理工作，構(gòu)建不不規(guī)則的三角網(wǎng)，從而確保相應(yīng)等高線繪制的精確度和質(zhì)量。最終在完成對應(yīng)的圖像編輯工作，生成有效的等高線。進(jìn)行一系列的編輯、處理、補(bǔ)充、調(diào)整等最終生成三維圖像。

3 三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)工程精確測量中的運(yùn)用

3.1 高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

通過引入礦山地質(zhì)工程精度檢驗(yàn)的實(shí)際案例。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中需要做到提前對地形進(jìn)行勘探作業(yè)，在完成相應(yīng)的地形勘探環(huán)節(jié)以后，再實(shí)行對應(yīng)的三維激光掃描測繪方案的制定工作[4]。根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)況實(shí)景來選擇符合使用標(biāo)準(zhǔn)的三維激光掃描儀器，對其檢測區(qū)用掃描儀全方位無死角的立體掃描，在進(jìn)行掃描環(huán)節(jié)需要將掃描側(cè)站間距進(jìn)行相應(yīng)的控制且小于50m，同時(shí)對應(yīng)的點(diǎn)云密度控制在3cm～6cm之間，從而達(dá)到提高數(shù)據(jù)完整性以及準(zhǔn)確性的目的，確保所采集到的數(shù)據(jù)信息具備全面性等。

特殊掃描：對于特殊區(qū)域無法進(jìn)行第一步掃描的，需要進(jìn)行針對性的掃描，通常采取補(bǔ)充掃描的形式來開展相應(yīng)的掃描工作。

區(qū)域細(xì)分：所謂的區(qū)域細(xì)分，就是致力于高效管理點(diǎn)云合并錯(cuò)誤。區(qū)域細(xì)分工作內(nèi)容的注意事項(xiàng)，主要就是把控?cái)?shù)據(jù)的有效性。通常情況下以5～30個(gè)內(nèi)測點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的位置劃分，再完成對應(yīng)的點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。具體做法，不用對制圖接邊相關(guān)問題進(jìn)行考量，因?yàn)楸O(jiān)測對象是針對地形圖。轉(zhuǎn)換測塊點(diǎn)云后需要確保轉(zhuǎn)換后的實(shí)際坐標(biāo)符合相應(yīng)的精度要求。最后一步是采取對應(yīng)的分析法，檢查點(diǎn)云的精度，剔除不合格數(shù)據(jù)，通過重新選擇和變換坐標(biāo)來提高被測塊點(diǎn)云的精度。

3.2 精確度測繪成果評定

如果筆者上面所述中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，符合精確度的要求，再對礦山相應(yīng)的精確度測量結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的評判工作，確保其具備代表性和全面性，其評判環(huán)節(jié)如下。

平面絕對位置平定：采用擬合提取相關(guān)特征點(diǎn)的方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，實(shí)現(xiàn)對礦井平面位置對應(yīng)絕對精度的確定[5]。在特定的操作過程中，需要對相應(yīng)的點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)一步的切片，以確保點(diǎn)云有效，并且需要通過相位匹配來控制相應(yīng)的切削刃厚度，通常在兩厘米以內(nèi)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，最終獲得切片點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)鄰點(diǎn)云檢索，而對應(yīng)近鄰點(diǎn)云檢索需要符合特定的地形特征，再通過相應(yīng)的算法最終獲取近鄰域擬合地形的綜合特征點(diǎn)，再進(jìn)行分析和計(jì)算，對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。將點(diǎn)云中提取到的特征點(diǎn)與地形圖測繪中的同名點(diǎn)區(qū)域做對比，把誤差差值降到最低，實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)檢測精確度的有效工作。

平面相對位置精度評定：利用切片點(diǎn)云從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云中相應(yīng)的地物其對應(yīng)的參數(shù)對比分析的工作，例如邊長對比、點(diǎn)間距對比結(jié)合實(shí)際地圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)比較，然后通過實(shí)景與地圖數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的位置精確度的檢測。

礦山地質(zhì)地形圖高程精密評定：使用算法、擬合技術(shù)、交互式三維點(diǎn)云提取技術(shù)，記錄高程點(diǎn)和等高線差異以找到點(diǎn)。然后通過分析點(diǎn)云和測繪數(shù)據(jù)來確定精度。

礦山地質(zhì)地形圖地理精確評定：利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)對三維激光進(jìn)行掃描，以人機(jī)交互檢查的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和地形圖的精確計(jì)算、對比分析等相關(guān)工作。從而實(shí)現(xiàn)具體地質(zhì)工程相應(yīng)精確的有效檢驗(yàn)，在對應(yīng)的環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)圖像真實(shí)再現(xiàn)的效果，充分利用人機(jī)交互方式，對地理要素類別、誤差、地理符號等相關(guān)偏差進(jìn)行詳細(xì)分析比較，從而來確定相關(guān)精度是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)工程精確度測量的具體應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際的地況地貌來選擇不同的測量儀器，同時(shí)通過相應(yīng)的掃描系統(tǒng)、輔助軟件多次對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、篩選、剔除等工作來實(shí)現(xiàn)對地況地貌的實(shí)際精確測繪工作。其相應(yīng)的整個(gè)過程重復(fù)度較高，但是每一次的重復(fù)工作均可以將對應(yīng)測繪點(diǎn)的精確度進(jìn)行相應(yīng)的提升，從而得到較為精確的數(shù)據(jù)。而當(dāng)下三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)較為前沿性的測繪技術(shù)，可以有效的提升相應(yīng)地質(zhì)工程的測繪質(zhì)量，以及測繪效率。隨著當(dāng)下基礎(chǔ)科學(xué)的不斷發(fā)展以及三維激光掃描技術(shù)對應(yīng)的理論進(jìn)一步成熟，未來對于三維激光掃描技術(shù)的使用將更加廣泛。