文志波，陳 偉

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊，江西 南昌 330000）

三維激光掃描技術(shù)是近年來地質(zhì)勘查作業(yè)領(lǐng)域的熱門研究話題，應用此項技術(shù)進行地質(zhì)測繪工作，可以提高測量結(jié)果的準確性與時效性?？傊啾瘸Ｒ?guī)的地質(zhì)測繪技術(shù)，提出的技術(shù)徹底打破了傳統(tǒng)技術(shù)組織工作的缺陷，并實現(xiàn)了對獲取信息的高精度處理。例如，使用此項技術(shù)進行調(diào)查區(qū)域的地形、地貌勘察時發(fā)現(xiàn)，掃描儀器可以結(jié)合測點細節(jié)，進行地質(zhì)信息的獲取，并且數(shù)據(jù)的掃描速度已超出原有技術(shù)的預設(shè)速度，最快可達到每秒數(shù)萬次?；诖隧梼?yōu)勢，相關(guān)地區(qū)的地質(zhì)測繪工作效率越來越高。與此同時，在應用激光技術(shù)時，與其匹配的硬件設(shè)備也同步更新，此種發(fā)展趨勢在真正意義上做到了為地質(zhì)科研人員的現(xiàn)場作業(yè)提供支撐。截至目前，相關(guān)此項技術(shù)的研究已被廣泛應用到礦山開采、醫(yī)療診斷領(lǐng)域中，但將此項技術(shù)應用到地質(zhì)測繪工作中的研究仍處于空白狀態(tài)。主要是由于技術(shù)在應用過程中，前端會生成大量點云數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)測繪方法無法在規(guī)定時間內(nèi)高效率地處理此類數(shù)據(jù)，使得地質(zhì)勘查單位的地質(zhì)測繪工作長期處于一種停滯狀態(tài)。為了突破傳統(tǒng)技術(shù)對其的束縛與限制，本文將對基于地質(zhì)測繪的三維激光掃描技術(shù)展開設(shè)計與研究[1]。

1 基于地質(zhì)測繪的三維激光掃描技術(shù)

1.1 基于地質(zhì)測繪的三維坐標系轉(zhuǎn)換

為了確保在地質(zhì)測繪過程中，三維激光掃描技術(shù)應用的有效性，可在進行掃描工作前，對待測繪的地質(zhì)坐標進行三維轉(zhuǎn)換。通常情況下，掃描設(shè)備自身具有一套完善的坐標體系，并默認在執(zhí)行地質(zhì)掃描時，原點坐標表示為{0，0，0}。但將三維激光掃描設(shè)備應用到地質(zhì)測繪過程中，便屬于將測繪結(jié)果置于GIS內(nèi)，因此，有必要在掃描前，進行坐標系的轉(zhuǎn)換，以此確保掃描結(jié)果與地質(zhì)結(jié)果具有一定適配性。例如，在露天地質(zhì)測繪過程中，需要確定掃描過程中全站儀在空間內(nèi)的位置，在此基礎(chǔ)上，將儀器與GPS定位設(shè)備進行對接。開啟設(shè)備后，需要先進行地質(zhì)目標的獲?。ㄍǔＧ闆r下，對應目標為5～8個），在確定目標后，再使用三維激光設(shè)備對目標周圍地質(zhì)進行大規(guī)模掃描。此時，前端獲取的數(shù)據(jù)不僅包括激光掃描數(shù)據(jù)，同時也涵蓋一定數(shù)量的目標數(shù)據(jù)，要滿足地質(zhì)測繪需求，應將前端現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行坐標匹配。為此，基于坐標軸轉(zhuǎn)換法，進行數(shù)據(jù)矩陣的轉(zhuǎn)換，此過程可用下述計算公式表示：

公式（1）中：1X、1Y與1Z分別表示為轉(zhuǎn)換后三維坐標系對應的空間坐標點，其中X與Y在空間中對應正北方向與正東方向；X0、Y0與分別表示為三維激光掃描設(shè)備在進行測繪地質(zhì)掃描過程中，自身的坐標系對應點坐標；s表示為對應的測繪比例，也可將其認定為空間掃描放大系數(shù)，當對應的兩個坐標體系量綱呈現(xiàn)對等狀態(tài)時，此時可定義s=1.0；xW、yW與zW分別表示為坐標點在空間中的平移長度；R表示為空間旋轉(zhuǎn)坐標轉(zhuǎn)換矩陣；1a、2a與3a分別表示為掃描測繪點，通常情況下為最少3.0個測繪點，根據(jù)實際情況，可適當增加測點。

在完成對空間點坐標的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換后，結(jié)合GPS-RTK技術(shù)，進行特征點放大點坐標的獲取，并在區(qū)域衛(wèi)星條件允許的前提下，對每個轉(zhuǎn)換點進行衛(wèi)星坐標校正（當GPS接收點測量可精確到具體位置或受到3個以上衛(wèi)星的同步定位時，可認為此時的衛(wèi)星條件符合標準）。按照上述計算公式（1）進行所有測點坐標的三維轉(zhuǎn)換，將完成轉(zhuǎn)換后的坐標導入地質(zhì)測繪坐標體系內(nèi)，以此完成本章的研究。

1.2 三維地質(zhì)激光掃描數(shù)據(jù)收集

在完成上述工作后，進行三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取，在此過程中，為了確保獲取的數(shù)據(jù)具有較高的通視條件，可在掃描過程中，在待測繪的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)增設(shè)3個通視范圍在90.0°～120.0°的觀測樁。在觀測樁上架設(shè)掃描設(shè)備，將此設(shè)備與終端GPS設(shè)備建立通信聯(lián)系。

考慮到收集的激光掃描數(shù)據(jù)需要被導入一個統(tǒng)一的維度，因此，需要在此過程中確保觀測樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，使用在其上端集成的定向標志進行獲取數(shù)據(jù)參數(shù)的整平，整平的參數(shù)需要涵蓋激光掃描密度與激光有效掃描范圍等，通過此種方式，便可以實現(xiàn)對初期地質(zhì)測繪數(shù)據(jù)的收集。

1.3 三維激光點云數(shù)據(jù)匹配

上文收集的激光掃描數(shù)據(jù)在地質(zhì)測繪空間內(nèi)屬于點云數(shù)據(jù)，此種數(shù)據(jù)是掃描設(shè)備對地質(zhì)結(jié)構(gòu)掃描后形成的單個掃描點集合，對應的每個點坐標均含有三維坐標軸，也均可以作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層物理性質(zhì)的評估依據(jù)。但僅根據(jù)此部分數(shù)據(jù)進行地質(zhì)測繪結(jié)果的描述，會使描述結(jié)果受到點坐標光照強度與反射顏色的影響，甚至會由于計算機成像導致被測物體存在分辨不清的問題。因此，需要對收集的點云數(shù)據(jù)進行地質(zhì)測繪三維空間匹配。通常情況下，此過程中需要輔助使用計算機設(shè)備進行，具體操作步驟如下。

第一步為“編輯”點云數(shù)據(jù)集合，此操作步驟的目的是消除數(shù)據(jù)中的顯著異常差值，或裁剪部分與地質(zhì)測繪區(qū)域建模無關(guān)的冗余數(shù)據(jù)。第二步為“配準后拼接”，在不同觀測樁上尋找收集數(shù)據(jù)集合中的公共坐標點，根據(jù)公共點對應的空間位置，進行地質(zhì)測繪中心點的定位。在完成對中心點的確定后，在數(shù)據(jù)集合中刪除重復的點云數(shù)據(jù)，確保集成所有數(shù)據(jù)后，點云數(shù)據(jù)集合可以成為一個整體。同時，也可以結(jié)合觀測樁的測繪方向，進行點云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)，確保所有數(shù)據(jù)在一個統(tǒng)一直角坐標體系內(nèi)。第三步為“建模”，將所有坐標系內(nèi)的點云數(shù)據(jù)與測繪地質(zhì)空間內(nèi)的物體進行對接，構(gòu)建一個三維掃描模型。模型中不僅包含地質(zhì)信息，同時也包含實體信息。在此基礎(chǔ)上，將所有信息進行計算機的集中導入，以此完成三維激光掃描技術(shù)的分析。

2 實例應用分析

選擇將某礦山工程建設(shè)項目作為依托，針對該項目的礦山地質(zhì)勘察工作，引入本文提出的基于地質(zhì)測繪的三維激光掃描技術(shù)，一方面為了驗證該技術(shù)的可行性，另一方面為了驗證該技術(shù)的掃描效果。在具體作業(yè)過程中，利用三維激光掃描儀及高精度定位裝置對其地質(zhì)條件進行快速測量，在勘察區(qū)域設(shè)置4個測量站，并保證每天勘察過程中的外業(yè)工作時間控制在2小時左右。在該研究區(qū)域當中，設(shè)置5個不同的測點，并通過高精度定位裝置對五個測點的坐標進行測量，并記錄如表1所示。

表1 研究區(qū)域五個測點定位坐標

表1中X表示為測點水平方向坐標；Y表示為測點豎直方向坐標；Z表示為測點空間坐標。在表1研究區(qū)域五個測點定位坐標數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用本文掃描技術(shù)對該區(qū)進行掃描，并將上述五個測點在掃描圖像當中標記。比較五個測點在各個方向上的差異量，差異量表示為測點實際定位坐標與掃描生成的圖像之間的誤差。差異量的計算公式為：差異量=測點實際定位坐標-生成掃描圖像上測點坐標。將計算結(jié)果記錄，并繪制成圖1所示。

圖1 三維激光掃描結(jié)果差異量變化圖

圖1中x表示為水平方向測點差異量；y表示為豎直方向測點差異量；z表示為空間方向測點差異量。從圖1得出的差異量變化結(jié)果可以看出，最小差異量出現(xiàn)在測點V，數(shù)值為0.26mm，最大差異量出現(xiàn)在測點III，數(shù)值為2.67mm，掃描后生成圖像中各個測點在三個方向上產(chǎn)生的差異量均未超過3.0mm，具有較高的掃描精度。因此，通過實驗證明，本文基于地質(zhì)測繪提出的三維激光掃描技術(shù)在應用到真實的地質(zhì)勘察工作當中，能夠?qū)崿F(xiàn)對被勘察區(qū)域各項勘察信息的精準掃描，同時也進一步證明了地質(zhì)測繪在礦山地質(zhì)勘察掃描當中的可行性，為掃描技術(shù)的合理實施提供更加有利的基礎(chǔ)條件[2-4]。

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)在實際應用中，具有較強的靈活性與較高的準確性，但相關(guān)方面的研究大多局限在理論階段，為了實現(xiàn)此項技術(shù)的廣泛應用，本文開展了基于地質(zhì)測繪的三維激光掃描技術(shù)研究，并在完成研究后，通過實例應用的方式，對此項技術(shù)的功能進行了檢驗，證明三維激光掃描技術(shù)具有較強的實用性。總之，本文此次的研究，在真正意義上實現(xiàn)了地質(zhì)測繪工作的突破，為地質(zhì)勘探、礦山找礦等工作的實施，給予了足夠的技術(shù)支撐。但要真正將此項技術(shù)在市場內(nèi)推廣，還需要加大對掃描過程中影響因素的綜合判斷與分析，只有解決了掃描過程中對其行為造成負面干預的因素，才能確保掃描結(jié)果具有更高的成像價值。