北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 孫德鴻 王占超

三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)研究中的應(yīng)用(一)

北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司 孫德鴻 王占超

一、三維激光掃描技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著儀器制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各行各業(yè)的科研及工程人員的不斷實(shí)踐，自世界上第一臺(tái)三維激光掃描儀開發(fā)問世十多年來，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)逐漸成為廣大科研和工程技術(shù)人員全新的解決問題的手段，并逐漸取代一些傳統(tǒng)的測(cè)繪手段，為工程、研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

掃描儀硬件的進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)掃描速度從最初的幾千點(diǎn)每秒，發(fā)展到今天的幾萬(wàn)點(diǎn)每秒。速度的變化主要帶來外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的縮短，直接提高了工作效率，并減少了在危險(xiǎn)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，從而使外業(yè)更安全。圖1為L(zhǎng)eica三維激光掃描儀發(fā)展歷程中的掃描速度變化。

圖1 Leica三維激光掃描儀發(fā)展歷程中的掃描速度變化

2)掃描儀結(jié)構(gòu)從原來的分體式，發(fā)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(nèi)置、高分辨率數(shù)碼相機(jī)內(nèi)置、高分辨率彩色觸摸屏控制面板內(nèi)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)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(jìn)行連接。

3)視場(chǎng)角從原來的幾十度發(fā)展到現(xiàn)在接近全景的掃描。視場(chǎng)角的改變主要帶來兩方面的幫助:一方面讓掃描儀的架設(shè)更靈活，并提高工作效率，如果視場(chǎng)角小，要達(dá)到理想的掃描結(jié)果，儀器架設(shè)的方位都會(huì)有更多的限制，而且有時(shí)需要多次掃描才能達(dá)到效果;另一方面，因?yàn)橐晥?chǎng)角的增加，帶來掃描架站數(shù)量的減少，從而減少數(shù)據(jù)的后續(xù)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(cè)量精度提高到±2 mm左右，掃描點(diǎn)間隔可以縮小到1 mm。測(cè)量精度的提高直接帶來數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確性的提高，使三維激光掃描儀對(duì)大型結(jié)構(gòu)、建筑測(cè)量以及監(jiān)測(cè)成為可能。掃描點(diǎn)間隔的縮小，使細(xì)微的結(jié)構(gòu)也可以通過掃描表達(dá)出來，增加了儀器可用的范圍。

儀器的進(jìn)步，使使用者可以更方便地?cái)y帶，并容易掌握儀器的相關(guān)操作，數(shù)據(jù)結(jié)果的精度也能滿足越來越多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

掃描數(shù)據(jù)后處理軟件的進(jìn)步體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)可處理更大的數(shù)據(jù)量。隨著軟件算法的改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)硬件性能的提高，目前優(yōu)秀的三維掃描后處理軟件可以存儲(chǔ)和處理多達(dá)十幾億點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這種性能的提升，可以使用戶同時(shí)處理更大區(qū)域的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行更加精細(xì)的掃描。

2)功能更豐富，涵蓋更多行業(yè)的需要。軟件已經(jīng)可以成熟提供從工業(yè)設(shè)備管道建模、建筑物的建模到非規(guī)則復(fù)雜形體的建模，并可以直觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行地形、形變分析等的計(jì)算，還可以提供二維特征線條的提取等功能。

3)操作簡(jiǎn)便，人性化，易于掌握。

三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用的領(lǐng)域有:① 遺產(chǎn)、文物保護(hù);② 工業(yè)設(shè)計(jì)、檢測(cè)，工廠改擴(kuò)建及數(shù)字化管理;③ 建筑、橋梁、基礎(chǔ)設(shè)施測(cè)繪;④地形測(cè)繪和地質(zhì)研究。

在地形測(cè)繪和地質(zhì)研究領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)測(cè)量簡(jiǎn)單、便捷;

2)測(cè)量結(jié)果精確;

3)采集信息全面;

4)數(shù)據(jù)后處理簡(jiǎn)單;

5)可直接基于三維結(jié)果信息進(jìn)行計(jì)算和分析;

6)非接觸，大場(chǎng)景測(cè)量，效率更高，減小了測(cè)量工作對(duì)環(huán)境的依賴和局限。

二、三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪和地質(zhì)研究中的作用

三維激光掃描技術(shù)為地形測(cè)繪和地質(zhì)研究提供了一種新的工具和手段。最近幾年，國(guó)內(nèi)多家大學(xué)、科研單位、施工單位已開始嘗試將三維激光掃描技術(shù)與地形測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、滑坡監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害研究等相結(jié)合，探討該技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。下面介紹一些應(yīng)用方向。

1.邊坡安全監(jiān)測(cè)

邊坡破壞的預(yù)測(cè)以及邊坡破壞后的狀況把握及二次災(zāi)害的防止預(yù)防等都需要及時(shí)準(zhǔn)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(zāi)害發(fā)生前后的地形變化測(cè)繪、二次破壞防止的預(yù)測(cè)以及邊坡破壞前兆的把握和危險(xiǎn)性評(píng)估。

通過三維激光掃描獲取地形數(shù)據(jù)后，可以利用軟件快速構(gòu)建DEM以及TIN數(shù)據(jù)。Leica的Cyclone數(shù)據(jù)后處理軟件就提供了便捷的DEM建立功能，并可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)方便地轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)或地方坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)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(jìn)行變化部位及位移量數(shù)據(jù)分析。

三維激光掃描儀用于邊坡三維形狀獲取、加固方案設(shè)計(jì)、邊坡災(zāi)害對(duì)策及安全監(jiān)測(cè)等都具有其獨(dú)到的方便性及先進(jìn)性。測(cè)量設(shè)站靈活方便，測(cè)量效率高，獲取的數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行處理以得到基礎(chǔ)信息或分析結(jié)果。

2.地質(zhì)露頭研究

三維激光掃描儀可以為地質(zhì)露頭層序地層相關(guān)的研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，通過掃描可以獲取露頭的三維模型，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、地震研究、礦藏探測(cè)等提供基礎(chǔ)資料。

集成了內(nèi)置相機(jī)的三維激光掃描儀更可以同時(shí)獲取高清晰的影像數(shù)據(jù)，為后期的分析和研究提供更詳實(shí)的信息，通過軟件快速構(gòu)建彩色點(diǎn)云模型以及彩色的Mesh模型。并可以直接在三維空間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體等信息的完整提取，數(shù)據(jù)可以DXF格式導(dǎo)出到其他后續(xù)繪圖軟件中。

在地質(zhì)露頭研究中，三維激光掃描儀發(fā)揮了非接觸、高精度、高分辨率測(cè)量的特點(diǎn)。大大減少了野外數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，并能夠獲取更完整的信息。

3.基礎(chǔ)地形測(cè)繪

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

1)掃描。首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地物形狀和環(huán)境以及三維激光掃描儀的有效測(cè)程合理布設(shè)掃描儀的站點(diǎn)，然后在每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)后續(xù)成圖的需要設(shè)置合適的分辨率進(jìn)行掃描。在掃描過程中可以通過在已知點(diǎn)設(shè)站或控制掃描標(biāo)靶的方式，將每個(gè)站點(diǎn)與地理坐標(biāo)的關(guān)系約束好。

2)數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系。把多個(gè)站點(diǎn)掃描的數(shù)據(jù)通過軟件拼接到同一的地理坐標(biāo)系中，Cyclone軟件支持靈活的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，可以簡(jiǎn)便地將所有站點(diǎn)一次放入地理坐標(biāo)系中，從而統(tǒng)一坐標(biāo)系。

3)構(gòu)造TIN。通過軟件的功能，進(jìn)行植被或建筑物剔除，然后生成TIN，并可對(duì)TIN進(jìn)行平滑或優(yōu)化。

4)構(gòu)建等高線圖?；赥IN，給出等高線的間隔，等高線會(huì)自動(dòng)被生成。

4.地質(zhì)裂縫研究

通過挖掘地質(zhì)探槽，可以更準(zhǔn)確地掌握地質(zhì)裂縫的信息，從而有助于相關(guān)地震斷裂帶的研究。

地質(zhì)探槽反映了地層狀況以及地質(zhì)裂縫的三維形狀。通過三維激光掃描技術(shù)，可以記錄和獲取整個(gè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)和高清晰的照片，掃描儀內(nèi)置相機(jī)的照片可以直接映射到點(diǎn)云上，形成彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行量測(cè)，并可以通過虛擬測(cè)繪功能將特征數(shù)據(jù)導(dǎo)出到其他軟件作進(jìn)一步分析和計(jì)算。

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

三、應(yīng)用實(shí)例

1.黃河流域沙漠監(jiān)測(cè)

黃河流域部分地區(qū)氣候干旱多大風(fēng)，土地類型多樣，地表沙物質(zhì)豐富，是全國(guó)沙漠化發(fā)展最迅速、危害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。多年以來沙漠遷移、沙塵暴等自然災(zāi)害給國(guó)家造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的沙漠監(jiān)測(cè)方式耗費(fèi)大量人力物力，且精度受條件限制。三維激光掃描技術(shù)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的測(cè)量方法之一，本應(yīng)用就是將三維激光掃描技術(shù)與土壤沙漠化治理有機(jī)地結(jié)合在一起，從而大大提高了工作效率與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(未完待續(xù))

(本專欄由則泰集團(tuán)和本刊編輯部共同主辦)