三維激光掃描技術在地形地質研究中的應用(一)

北京則泰盛業科技發展有限公司 孫德鴻 王占超

三維激光掃描技術在地形地質研究中的應用(一)

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一、三維激光掃描技術發展現狀

隨著儀器制造技術的不斷進步，以及各行各業的科研及工程人員的不斷實踐，自世界上第一臺三維激光掃描儀開發問世十多年來，三維激光掃描技術已經逐漸成為廣大科研和工程技術人員全新的解決問題的手段，并逐漸取代一些傳統的測繪手段，為工程、研究提供更準確的數據。

掃描儀硬件的進步主要體現在以下幾個方面:

1)掃描速度從最初的幾千點每秒，發展到今天的幾萬點每秒。速度的變化主要帶來外業數據采集時間的縮短，直接提高了工作效率，并減少了在危險環境下數據采集的時間，從而使外業更安全。圖1為Leica三維激光掃描儀發展歷程中的掃描速度變化。

圖1 Leica三維激光掃描儀發展歷程中的掃描速度變化

2)掃描儀結構從原來的分體式，發展到今天的高度一體化集成。高度一體化集成主要包括掃描儀電池內置、高分辨率數碼相機內置、高分辨率彩色觸摸屏控制面板內置、數據存儲內置。一體化讓儀器攜帶、工作中的遷站更方便，操作也更便捷。往往不再需要攜帶更多的附件，儀器無需過多的外部電纜進行連接。

3)視場角從原來的幾十度發展到現在接近全景的掃描。視場角的改變主要帶來兩方面的幫助:一方面讓掃描儀的架設更靈活，并提高工作效率，如果視場角小，要達到理想的掃描結果，儀器架設的方位都會有更多的限制，而且有時需要多次掃描才能達到效果;另一方面，因為視場角的增加，帶來掃描架站數量的減少，從而減少數據的后續拼接，減少后處理工作量和避免不必要的誤差累積，從而提高了掃描的整體精度。

4)最高測量精度提高到±2 mm左右，掃描點間隔可以縮小到1 mm。測量精度的提高直接帶來數據結果準確性的提高，使三維激光掃描儀對大型結構、建筑測量以及監測成為可能。掃描點間隔的縮小，使細微的結構也可以通過掃描表達出來，增加了儀器可用的范圍。

儀器的進步，使使用者可以更方便地攜帶，并容易掌握儀器的相關操作，數據結果的精度也能滿足越來越多領域的應用需求。

掃描數據后處理軟件的進步體現在以下幾個方面:

1)可處理更大的數據量。隨著軟件算法的改進以及計算機硬件性能的提高，目前優秀的三維掃描后處理軟件可以存儲和處理多達十幾億點的數據。這種性能的提升，可以使用戶同時處理更大區域的數據，并進行更加精細的掃描。

2)功能更豐富，涵蓋更多行業的需要。軟件已經可以成熟提供從工業設備管道建模、建筑物的建模到非規則復雜形體的建模，并可以直觀、準確地進行地形、形變分析等的計算，還可以提供二維特征線條的提取等功能。

3)操作簡便，人性化，易于掌握。

三維激光掃描技術目前已經成功應用的領域有:① 遺產、文物保護;② 工業設計、檢測，工廠改擴建及數字化管理;③ 建筑、橋梁、基礎設施測繪;④地形測繪和地質研究。

在地形測繪和地質研究領域，三維激光掃描技術與傳統測量手段相比，其優勢體現在以下幾個方面:

1)測量簡單、便捷;

2)測量結果精確;

3)采集信息全面;

4)數據后處理簡單;

5)可直接基于三維結果信息進行計算和分析;

6)非接觸，大場景測量，效率更高，減小了測量工作對環境的依賴和局限。

二、三維激光掃描技術在地形測繪和地質研究中的作用

三維激光掃描技術為地形測繪和地質研究提供了一種新的工具和手段。最近幾年，國內多家大學、科研單位、施工單位已開始嘗試將三維激光掃描技術與地形測繪、地質調查、滑坡監測、地質災害研究等相結合，探討該技術在相關領域的實際應用，并積累了豐富的經驗。下面介紹一些應用方向。

1.邊坡安全監測

邊坡破壞的預測以及邊坡破壞后的狀況把握及二次災害的防止預防等都需要及時準確地掌握邊坡體的三維信息。三維激光掃描儀可以用于邊坡體災害發生前后的地形變化測繪、二次破壞防止的預測以及邊坡破壞前兆的把握和危險性評估。

通過三維激光掃描獲取地形數據后，可以利用軟件快速構建DEM以及TIN數據。Leica的Cyclone數據后處理軟件就提供了便捷的DEM建立功能，并可實現坐標轉換，將數據方便地轉換到WGS-84坐標或地方坐標系。轉換后的數據可以進行如下分析:①平面圖的重合比較;② 等高線的重合比較;③斷面圖的重合比較;④斷面圖的差分比較;⑤直接基于三維DEM進行變化部位及位移量數據分析。

三維激光掃描儀用于邊坡三維形狀獲取、加固方案設計、邊坡災害對策及安全監測等都具有其獨到的方便性及先進性。測量設站靈活方便，測量效率高，獲取的數據可直接進行處理以得到基礎信息或分析結果。

2.地質露頭研究

三維激光掃描儀可以為地質露頭層序地層相關的研究提供準確的數據，通過掃描可以獲取露頭的三維模型，為地質災害預防、地震研究、礦藏探測等提供基礎資料。

集成了內置相機的三維激光掃描儀更可以同時獲取高清晰的影像數據，為后期的分析和研究提供更詳實的信息，通過軟件快速構建彩色點云模型以及彩色的Mesh模型。并可以直接在三維空間實現點、線、面、體等信息的完整提取，數據可以DXF格式導出到其他后續繪圖軟件中。

在地質露頭研究中，三維激光掃描儀發揮了非接觸、高精度、高分辨率測量的特點。大大減少了野外數據采集的時間，并能夠獲取更完整的信息。

3.基礎地形測繪

在地形測繪中，通過三維激光掃描儀及后處理軟件，只需要經過簡單的幾個步驟就可以輕松獲取高比例尺的地形圖。

1)掃描。首先根據現場地物形狀和環境以及三維激光掃描儀的有效測程合理布設掃描儀的站點，然后在每個站點根據后續成圖的需要設置合適的分辨率進行掃描。在掃描過程中可以通過在已知點設站或控制掃描標靶的方式，將每個站點與地理坐標的關系約束好。

2)數據拼接轉換到地理坐標系。把多個站點掃描的數據通過軟件拼接到同一的地理坐標系中，Cyclone軟件支持靈活的地理坐標轉換功能，可以簡便地將所有站點一次放入地理坐標系中，從而統一坐標系。

3)構造TIN。通過軟件的功能，進行植被或建筑物剔除，然后生成TIN，并可對TIN進行平滑或優化。

4)構建等高線圖?；赥IN，給出等高線的間隔，等高線會自動被生成。

4.地質裂縫研究

通過挖掘地質探槽，可以更準確地掌握地質裂縫的信息，從而有助于相關地震斷裂帶的研究。

地質探槽反映了地層狀況以及地質裂縫的三維形狀。通過三維激光掃描技術，可以記錄和獲取整個探槽的完整三維信息。

1)通過三維激光掃描儀掃描和拍照獲取高密度空間點云數據和高清晰的照片，掃描儀內置相機的照片可以直接映射到點云上，形成彩色點云數據。彩色點云數據可以直接進行量測，并可以通過虛擬測繪功能將特征數據導出到其他軟件作進一步分析和計算。

2)基于點云數據，通過Geomagic軟件制作高精度三角網模型，映射紋理照片，可以得到彩色三角網模型，用于瀏覽和分析。

三、應用實例

1.黃河流域沙漠監測

黃河流域部分地區氣候干旱多大風，土地類型多樣，地表沙物質豐富，是全國沙漠化發展最迅速、危害最嚴重的地區之一。多年以來沙漠遷移、沙塵暴等自然災害給國家造成了重大的經濟損失。傳統的沙漠監測方式耗費大量人力物力，且精度受條件限制。三維激光掃描技術是目前國際上最先進的測量方法之一，本應用就是將三維激光掃描技術與土壤沙漠化治理有機地結合在一起，從而大大提高了工作效率與數據的準確性。

(未完待續)

(本專欄由則泰集團和本刊編輯部共同主辦)