譚毅瀅，魏拾其，宋健洪，張冬麗，鄭文俊

1. 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院/廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海519082

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海519082

激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)（Light detection and ranging，LiDAR）是一種新興的三維測(cè)量技術(shù)，具有快速、簡(jiǎn)便、高精度、高分辨率的特點(diǎn)，系統(tǒng)工作的原理是通過(guò)內(nèi)部集成的測(cè)時(shí)測(cè)角系統(tǒng)記錄激光脈沖來(lái)回物體表面的時(shí)間與角度，依據(jù)激光測(cè)距原理得到物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)［1］，其技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于不同行業(yè)領(lǐng)域，近年來(lái)也逐漸應(yīng)用于地學(xué)高精度研究的三維模型建立和信息獲?。?-4］。

根據(jù)掃描目標(biāo)大小、獲取信息目的、掃描區(qū)工作條件及對(duì)空間分辨率要求，LiDAR 可以搭載在不同的平臺(tái)上工作，如星載、機(jī)載、地基、車(chē)載、手持等［1-2］。空間技術(shù)和航空技術(shù)的快速發(fā)展為L(zhǎng)iDAR 技術(shù)的發(fā)展提供了高效的搭載平臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)星載和機(jī)載LiDAR 的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但星載和機(jī)載LiDAR 由于搭載平臺(tái)、成本等的限制，在對(duì)具體工程場(chǎng)地或局部區(qū)域數(shù)據(jù)的獲取中不能很好地發(fā)揮作用，而地基LiDAR 平臺(tái)雖然對(duì)場(chǎng)地通視條件等有更高的要求，但對(duì)具體場(chǎng)地的建模和數(shù)據(jù)獲取有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，可以做到無(wú)死角、低成本等。近年來(lái)地基LiDAR 技術(shù)在活動(dòng)構(gòu)造［3-4］、建筑物提取、農(nóng)作物評(píng)估［5］、森林調(diào)查［6］等方向的應(yīng)用表明其可以在具體場(chǎng)景建設(shè)中發(fā)揮潛力。如在活動(dòng)構(gòu)造領(lǐng)域中，高精度地形地貌數(shù)據(jù)的獲取是定量研究的基礎(chǔ)，以前多使用經(jīng)緯儀、全站儀、差分GPS 等對(duì)地形進(jìn)行測(cè)繪，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低，而且易出現(xiàn)人為誤差，不能做到地形地貌的全覆蓋。近年來(lái)發(fā)展的攝影測(cè)量方法雖然能夠高效獲取地表數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)質(zhì)量受到作業(yè)時(shí)的大氣條件和光照條件等因素影響較大［7-8］，另外，利用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)也能獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)處理技術(shù)暫未成熟，而且測(cè)量成本較高［8］。而地基LiDAR 具有空間分辨率高和能夠穿透植被直接獲取地面信息等的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，能夠高效地獲取真實(shí)的高精度地面三維信息。此外，在工程測(cè)量領(lǐng)域，地基LiDAR 也能簡(jiǎn)便、快速地獲取工程的三維信息，為工程的后續(xù)計(jì)算與分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，與地形地貌測(cè)量相結(jié)合，還能為工程的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

本文首先利用地基LiDAR 技術(shù)方法，在獲取不同場(chǎng)地三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)處理及三維建模等方面介紹了地基LiDAR 數(shù)據(jù)應(yīng)用過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)方法和流程，并以所選取的不同斷層發(fā)育場(chǎng)地點(diǎn)位置的特殊條件為基礎(chǔ)，建立了斷錯(cuò)地貌模型、工程場(chǎng)地與活動(dòng)斷層交匯三維模型，展示了地基LiDAR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

1 地基LiDAR數(shù)據(jù)處理概述

地基LiDAR 是一種主動(dòng)探測(cè)手段，主要工作原理為激光測(cè)距原理［2］。在掃描過(guò)程中，儀器通過(guò)測(cè)量從發(fā)射激光束到物體表面后被反射回來(lái)的時(shí)間，計(jì)算出物體表面的激光反射點(diǎn)到儀器的距離，再根據(jù)測(cè)角結(jié)果得到反射點(diǎn)在儀器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)［2-3］。由于激光束有一定的強(qiáng)度，對(duì)植被有一定的穿透力，因此在掃描植被覆蓋區(qū)時(shí)，一束激光束會(huì)在經(jīng)過(guò)植被時(shí)形成多次反射，在回波中形成多個(gè)反射波峰，據(jù)此可以去除部分植被并得到真實(shí)地面信息（圖1）。本文中使用的是奧地利RIEGL 公司的3D Terrestrial Laser Scanner VZ-2000i 進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，其分辨率達(dá)到1 mm（100 m 處），精度達(dá)到3 mm（100 m 處），使用配套的RISCAN PRO 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，使用3Dreshaper進(jìn)行三維模型的建立，使用ArcGIS進(jìn)行數(shù)字高程模型（DEM）的建立。

1.1 點(diǎn)云的初步處理

由于在野外掃描的過(guò)程中，激光不僅在到達(dá)地面、植被或建筑時(shí)會(huì)被反射，空氣中的懸浮塵埃顆粒等也會(huì)反射激光，形成一個(gè)或一團(tuán)懸浮點(diǎn)。因此，原始的LiDAR 點(diǎn)云包括了直接從地面、被測(cè)物體上等反射回的一次反射點(diǎn)，也有從植被反射回的多次反射點(diǎn)，另外還有因隨機(jī)誤差產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)和從空氣塵埃反射回的懸浮點(diǎn)或稱(chēng)離群點(diǎn)［9］。為了獲得從地面或被測(cè)物體上反射回的點(diǎn)云信息，需要把塵埃、植被等反射形成的懸浮點(diǎn)去除，這可以通過(guò)點(diǎn)云的去噪和濾波操作完成。另外，為了獲得物體三維全方位的信息，往往需要圍繞掃描區(qū)布設(shè)多個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)獲取與相鄰站點(diǎn)有重疊部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此，把多站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接起來(lái)也是點(diǎn)云處理的重要部分。

圖1 地基LiDAR點(diǎn)云處理流程圖Fig.1 Terrestrial LiDAR point clouds′processing workflow

點(diǎn)云去噪的目的是去除噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)［10］。去除懸浮點(diǎn)云的方法有很多。對(duì)于掃描面積較小、視野空曠開(kāi)闊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以采用手動(dòng)去除的方法；對(duì)于掃描面積較大或點(diǎn)云結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，則可采用如直通濾波、半徑濾波等多種算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。濾波過(guò)后，還需要進(jìn)行檢查，以保證無(wú)噪聲點(diǎn)和離群點(diǎn)去除的遺漏。

點(diǎn)云濾波的目的是獲取地面點(diǎn)，即分離地面、植被和建筑物等。由于植被能夠形成多次反射點(diǎn)，因此保留最后一個(gè)反射點(diǎn)的操作能夠初步分離地面點(diǎn)與植被點(diǎn)，但完全把植被、建筑和地面分離，需要更加精細(xì)的處理。有關(guān)點(diǎn)云濾波的算法研究很多，如移動(dòng)曲面濾波算法［11］、迭代最小二乘濾波算法［12］、漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波算法［13］等。在本次實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將使用漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法來(lái)分離植被與地面。漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法的原理是植被與建筑等常高于地面，其點(diǎn)云與地面點(diǎn)云往往存在一定的高度差，并且在剖面上其高程值從地面點(diǎn)到植被、建筑點(diǎn)存在突變的過(guò)程。因而此方法在平面上均勻提取點(diǎn)云的較低點(diǎn)作為種子點(diǎn)來(lái)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network， TIN），即初設(shè)地面，通過(guò)比較非種子點(diǎn)到臨近三角網(wǎng)格的距離和非種子點(diǎn)到種子點(diǎn)的角度判斷該點(diǎn)是否屬于地面點(diǎn)，并據(jù)此不斷更新、擴(kuò)大種子點(diǎn)數(shù)來(lái)加密TIN 以逼近真實(shí)地面，最終使得所有地面點(diǎn)作為種子點(diǎn)參與TIN，而植被、建筑點(diǎn)則仍是非種子點(diǎn)，二者得以區(qū)分（圖2）。

漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法已經(jīng)發(fā)展較為成熟，集成于多種點(diǎn)云處理軟件中。它通過(guò)迭代加密TIN 得到地面點(diǎn)，對(duì)曲面不連續(xù)性較為敏感［12］。應(yīng)用時(shí)，通過(guò)調(diào)整判別參數(shù)可以對(duì)需要濾去的地物點(diǎn)或植被的大小進(jìn)行控制，進(jìn)而應(yīng)用于其他環(huán)境中。

點(diǎn)云拼接是把不同站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下拼接起來(lái)，點(diǎn)云拼接的方法很多，主要分為基于標(biāo)靶的拼接、幾何特征的拼接、控制點(diǎn)三維坐標(biāo)的拼接和臨近迭代配準(zhǔn)（Iterative Closest Points， ICP）算法的拼接［2，14］。本實(shí)驗(yàn)采用基于幾何特征的拼接與改進(jìn)ICP 算法相結(jié)合的拼接方法，有效地提高了拼接精度?；趲缀翁卣鞯钠唇臃椒ㄊ峭ㄟ^(guò)點(diǎn)云中目視容易辨認(rèn)的幾何特征來(lái)確定點(diǎn)云重疊部分中的同名點(diǎn)，然后再基于同名點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)云的變換矩陣進(jìn)行拼接，其誤差常因人為原因而較大。而ICP 算法則是在于參考點(diǎn)云與目標(biāo)點(diǎn)云上取得一定數(shù)量同名點(diǎn)的基礎(chǔ)上，不斷調(diào)整變換矩陣直至兩點(diǎn)云的同名點(diǎn)間的距離平方之和達(dá)到規(guī)定閾值之下來(lái)進(jìn)行拼接［15-16］，其誤差相對(duì)較?。▓D3），許多改進(jìn)ICP算法著眼于正確的同名點(diǎn)的提取。本實(shí)驗(yàn)所采用的改進(jìn)ICP 算法通過(guò)計(jì)算一定大小立方體內(nèi)所有點(diǎn)的最佳擬合平面的重心與法向量，以此作為參考量，提取相似的最佳擬合平面對(duì)作為同名點(diǎn)。由于法向量能夠更好地保留點(diǎn)云表面的細(xì)微幾何特征，因此一般對(duì)應(yīng)點(diǎn)正確率較高［16］。

圖2 漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法原理Fig.2 The principle of progressive encryption triangulation method

另外，采用幾何特征與改進(jìn)ICP 算法的拼接相結(jié)合的拼接方法，能夠人機(jī)交互地對(duì)拼接的準(zhǔn)確度進(jìn)行控制，有效地提高了匹配的精度，尤其適用于表面崎嶇不平的三維實(shí)體。

1.2 三維模型重建方法

經(jīng)過(guò)處理的三維點(diǎn)云雖然也可以展示物體的三維形態(tài)，但仍不是真實(shí)世界中的三維顯示效果，而且其離散的數(shù)據(jù)組織形式對(duì)后續(xù)分析和計(jì)算帶來(lái)很大的不便，因此需要利用三維點(diǎn)云建立三維模型，獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及更直觀、準(zhǔn)確的可視化效果［17-18］。

圖3 ICP算法流程圖（修改自文獻(xiàn)［15］）Fig.3 Model of ICP algorithm

對(duì)不規(guī)則的三維實(shí)體如地質(zhì)體、地貌面等建立三維模型的典型方法有三維規(guī)則網(wǎng)格法、TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法和四面體法等[17-18]。由于地基LiDAR獲得的點(diǎn)云都是三維實(shí)體的表面點(diǎn)，不包含實(shí)體的內(nèi)部點(diǎn)，因此多利用TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并建立三維模型［18-20］，TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法通過(guò)點(diǎn)云中各個(gè)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)建立三角形以形成表面模型。TIN 多使用Delaunay 三角劃分算法，所生成的Delaunay 三角網(wǎng)具有唯一性，且各線段不相交，能夠很好地描述三維點(diǎn)云所代表的表面。另外，由于三維點(diǎn)云可能有因掃描缺失和掃描不到而形成空洞的地方，因此需要利用空洞周?chē)狞c(diǎn)云對(duì)空洞進(jìn)行插值填補(bǔ)以后再進(jìn)行TIN 網(wǎng)的建立。空洞的插值方法有很多，需要根據(jù)空洞的可能形態(tài)進(jìn)行選擇。

對(duì)規(guī)則的三維實(shí)體如建筑、橋梁等，可以在計(jì)算相應(yīng)的尺寸后使用規(guī)則曲面來(lái)描述。如對(duì)橋梁的圓柱形橋墩，可以通過(guò)點(diǎn)云上不共線的三個(gè)點(diǎn)擬合圓柱的直徑以及長(zhǎng)軸，建立規(guī)則圓柱面；對(duì)建筑外墻平面，可以通過(guò)點(diǎn)云上不共線的三個(gè)點(diǎn)擬合平面的傾向和傾角，建立平面等。規(guī)則曲面的建立能夠減少數(shù)據(jù)量，更精確地填補(bǔ)點(diǎn)云空洞，但規(guī)則曲面間以及規(guī)則曲面和不規(guī)則曲面間的拓?fù)潢P(guān)系需要仔細(xì)識(shí)別及建立。

活動(dòng)斷層作為一種重要的地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型，對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究、地震發(fā)生機(jī)理探討和工程安全評(píng)價(jià)等都有重要的意義，因此活動(dòng)斷層模型構(gòu)建對(duì)工程的安全風(fēng)險(xiǎn)分析有很大的幫助。斷層是面狀地質(zhì)體，在局部地區(qū)可以用一個(gè)平面近似表示，其產(chǎn)狀可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，也可以通過(guò)點(diǎn)云性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量獲得。使用點(diǎn)云性質(zhì)進(jìn)行斷層產(chǎn)狀測(cè)量的原理是斷層會(huì)造成巖層的錯(cuò)位，表現(xiàn)為斷層面上巖層反射率的突變，在反射率突變的地方隨機(jī)選擇3 個(gè)點(diǎn)，使用最小二乘法擬合出最優(yōu)平面，即可作為斷層面。這兩種方法也可以相互驗(yàn)證，得到更加準(zhǔn)確的斷層產(chǎn)狀。注意斷層面的延伸深度不可過(guò)大，且斷層面與其兩側(cè)地貌面的拓?fù)潢P(guān)系也需仔細(xì)識(shí)別及建立。

2 地基LiDAR數(shù)據(jù)的DEM重建方法

地基LiDAR 獲取的原始點(diǎn)云經(jīng)處理后得到的地面點(diǎn)具有X、Y 坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，是高密度的離散高程點(diǎn)，能夠?yàn)闃?gòu)建高精度高分辨率的DEM 提供足夠的數(shù)據(jù)約束。但地基LiDAR 受到布設(shè)位置和通視條件的限制，在包括河溝的掃描區(qū)里，對(duì)彎曲河溝溝谷的掃描效果較差，易形成溝谷處的數(shù)據(jù)空區(qū)。因此，地基LiDAR 可以與掃描區(qū)的其他機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)相拼接，彌補(bǔ)溝谷處的數(shù)據(jù)空區(qū)，提高地面的點(diǎn)云密度。

地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)本質(zhì)上為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。以離散點(diǎn)為數(shù)據(jù)源的規(guī)則格網(wǎng)DEM 建立有不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN） 和直接插值兩類(lèi)。不規(guī)則三角網(wǎng)法（TIN）是基于離散點(diǎn)建立的不規(guī)則三角網(wǎng)模型進(jìn)行磨光內(nèi)插得到規(guī)則格網(wǎng)DEM 的的方法［21］。直接插值是通過(guò)已知的格網(wǎng)點(diǎn)高程，計(jì)算未知的格網(wǎng)點(diǎn)高程。直接插值有多種方法，如基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的克里金插值法、反距離權(quán)重插值法、徑向基函數(shù)插值法、自然鄰域插值法、線性插值法、加權(quán)平均法等等［22-23］。前人對(duì)各種插值方法及其精度進(jìn)行了評(píng)定，認(rèn)為不同的地區(qū)對(duì)不同插值方法的適用性不同，需要針對(duì)具體地區(qū)進(jìn)行分析，但總體而言，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的克里金插值法精度最高［10，23-24］。

3 復(fù)雜地形條件下活動(dòng)斷層斷錯(cuò)地貌數(shù)據(jù)獲取與模型建立

本實(shí)驗(yàn)所用的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描于甘肅省白銀市景泰縣小紅山地區(qū)。當(dāng)?shù)貫楦珊禋夂?，存在多條季節(jié)性沖溝，形成了廣闊的沖積扇，植被低矮稀疏。掃描區(qū)面積約2.5 萬(wàn)m2，地處沖溝出山口，最大高差50 m。沖溝深度1～2 m，向沖積扇方向逐漸變淺；沖溝較為平直，僅出山口處具左旋位錯(cuò)，指示斷層位置。山前有陡坎，垂直高約2 m。野外掃描時(shí)，共設(shè)置掃描站5 個(gè)，其位置如圖4。

圖4 斷錯(cuò)地貌掃描站點(diǎn)位置黃星代表站點(diǎn)位置，紅色虛線為推測(cè)斷層位置；衛(wèi)星圖來(lái)自谷歌地圖2020 CNES/AirbusFig.4 Location of scan positions in fault topographyThe yellow stars stand for the position of station,the red dotted line stands for the fault;The satellite image comes from Google Earth 2020 CNES/Airbus)

掃描獲得的原始點(diǎn)云如圖5a 所示。由于掃描區(qū)視野開(kāi)闊，因此手動(dòng)搜索離群點(diǎn)并刪除。去除植被時(shí)，首先進(jìn)行回波濾波，僅保留每束激光的最后一個(gè)反射點(diǎn)；再使用漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法，考慮掃描區(qū)的植被低矮且分散的特征設(shè)置判別參數(shù)后，得到地面點(diǎn)。點(diǎn)云拼接操作中，以第一站為基準(zhǔn)，先把其他四站以及當(dāng)?shù)貦C(jī)載Li-DAR 數(shù)據(jù)通過(guò)特征點(diǎn)初步與第一站相拼接；再使用改進(jìn)的ICP 算法進(jìn)行調(diào)整，共使用最佳擬合平面2 110 對(duì)，拼接誤差達(dá)到0.013 6，拼接結(jié)果如圖5b，拼接點(diǎn)云平均點(diǎn)云密度為80 m-2，點(diǎn)云密度分布如圖5c。使用ArcGIS 軟件導(dǎo)入點(diǎn)云，在3D Analyst Tools 模塊中使用普通克里金方法建立DEM（圖5d），分辨率為0.2 m。

使用高精度點(diǎn)云建立高分辨率的DEM，可以清晰地顯示斷層形態(tài)，有利于斷層三維形態(tài)的顯示，同時(shí)可以通過(guò)對(duì)斷層陡坎、河溝錯(cuò)斷等構(gòu)造地貌進(jìn)行高精度的測(cè)量，獲得關(guān)于斷層水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)等的定量數(shù)據(jù)。

圖5 斷錯(cuò)地貌三維點(diǎn)云處理過(guò)程（a）各站點(diǎn)原始點(diǎn)云圖像；（b）點(diǎn)云拼接結(jié)果；（c）掃描區(qū)點(diǎn)云密度；（d）DEM；（e）地形測(cè)量剖面Fig.5 Processing of 3D point from fault topography(a)image of primary point clouds from each scan position;(b)image of point clouds registration;(c)point density of scan area;(d)DEM;(e)topography measurement profile

4 工程場(chǎng)地與活動(dòng)斷層交匯三維場(chǎng)景再現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)掃描于寧夏省中衛(wèi)市定武高速一橋梁與香山—天景山斷裂交匯的位置。掃描區(qū)包括有少量植被覆蓋的山體以及橋梁，面積約為9 000 m2，斷層出露于山體兩種不同顏色巖石接觸處，實(shí)測(cè)斷層走向?yàn)?00°左右，傾角為41°左右，斷層斜穿高速公路橋梁，橋梁走向北東86°左右。野外掃描時(shí)，共設(shè)置掃描站8 個(gè)，其位置如圖6。

掃描獲得的原始點(diǎn)云如圖7（a）所示。由于掃描區(qū)視野開(kāi)闊，因此手動(dòng)搜索離群點(diǎn)并刪除。分離地面點(diǎn)時(shí)，首先進(jìn)行回波濾波，僅保留每束激光的最后一個(gè)反射點(diǎn)；其次使用漸進(jìn)加密的三角網(wǎng)濾波方法，把植被集中處分割成相對(duì)平坦的幾塊分別進(jìn)行濾波。點(diǎn)云拼接時(shí)，共使用最佳擬合平面740 558對(duì)，拼接誤差達(dá)到0.028 2，拼接結(jié)果如圖7（b）。最后把地面與橋梁分離，分類(lèi)結(jié)果如圖7（c）。

圖6 工程場(chǎng)地與斷裂交匯處掃描站點(diǎn)位置黃星代表站點(diǎn)位置，紅色虛線為推測(cè)斷層位置；衛(wèi)星圖來(lái)自谷歌地圖2020 Maxar TechnologiesFig.6 Location of scan positions in the intersection of active fault and engineeringThe yellow stars stand for the position of station,the red dotted line stands for the fault;The satellite image comes from Google Earth 2020 Maxar Technologies

圖7 工程場(chǎng)地與斷裂交匯點(diǎn)云處理過(guò)程（a）各站點(diǎn)原始點(diǎn)云；（b）點(diǎn)云拼接結(jié)果；（c）：(1)掃描區(qū)整體點(diǎn)云,(2)掃描區(qū)地面點(diǎn),(3)掃描區(qū)工程點(diǎn)Fig.7 Processing of point clouds from the intersection of active fault and engineering(a)image of primary point clouds from each scan position;(b)image of point clouds registration;(c):(1)entire point clouds of scan area,(2)ground points,(3)engineering points

使用3Dreshaper 軟件導(dǎo)入地面點(diǎn)云并建立TIN網(wǎng)，平滑后使用“Filling hole”工具對(duì)空洞進(jìn)行插值填補(bǔ)；導(dǎo)入橋梁點(diǎn)云并建立TIN 網(wǎng)，平滑后，對(duì)較小的空洞使用“Filling hole”工具進(jìn)行插值填補(bǔ)，對(duì)較大的空洞如未掃描到的橋墩部分，使用“Construct”工具欄中的“Best Cylinder”工具根據(jù)掃描到的橋墩部分進(jìn)行擬合并拼接。根據(jù)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中觀察到的不同反射率的巖石的接觸部位以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的斷層產(chǎn)狀，在相應(yīng)位置上建立相同產(chǎn)狀的平面作為斷層面。最終建模結(jié)果如圖8，斷層產(chǎn)狀為212°∠41°，與橋梁成36°斜交關(guān)系。

工程場(chǎng)地和活動(dòng)斷裂交匯處的三維顯示能使得工程與地面、斷層面的關(guān)系更加直觀，清晰地展示出工程所面臨的安全隱患。另外，通過(guò)定量測(cè)量模型中的斷層產(chǎn)狀、斷層與工程的相對(duì)位置以及工程本身的模型數(shù)據(jù)等，可以為模擬斷層活動(dòng)時(shí)工程的安全風(fēng)險(xiǎn)提供更全面和準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖8 工程場(chǎng)地與斷裂交匯三維模型多角度圖長(zhǎng)方形平面為斷層面位置，紅色線為斷層在地表跡線，橙紅色曲面為地形面，灰黑色為橋梁Fig.8 Image of the intersection of active fault and engineering from multi-angleRectangular plane stands for fault plane,red line stands for the intersection of fault plane and terrain,orange curved surface stands for terrain,grey object stands for bridge

5 結(jié)論與展望

地基LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過(guò)程雖然繁瑣，但總體思路清晰，主要分為點(diǎn)云的去噪、濾波、分類(lèi)和配準(zhǔn)等4個(gè)步驟。目前已經(jīng)發(fā)展出大量的處理算法，應(yīng)針對(duì)不同特征的掃描區(qū)，有機(jī)地結(jié)合各類(lèi)處理算法，才能獲得更為準(zhǔn)確、真實(shí)的三維點(diǎn)云。

不同的場(chǎng)景建模過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法。本文實(shí)驗(yàn)所選擇的兩種場(chǎng)地類(lèi)型中：活動(dòng)斷層斷錯(cuò)微地貌建模中，多使用TIN不規(guī)則三角網(wǎng)法；對(duì)于規(guī)則形態(tài)工程建筑建模，則應(yīng)結(jié)合工程本身的幾何特性，結(jié)合使用TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)法和規(guī)則曲面擬合；而對(duì)于對(duì)地形以及工程影響重大的斷層，可以在提前測(cè)量其產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，使用平面作為斷層面以建立模型。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，地基LiDAR 比較適合應(yīng)用于活動(dòng)構(gòu)造領(lǐng)域中斷裂區(qū)地形地貌的測(cè)繪，為斷裂區(qū)精細(xì)地貌填圖、微地貌識(shí)別和構(gòu)造地貌定量研究帶來(lái)更準(zhǔn)確和豐富的數(shù)據(jù)。另外，還能使用地基LiDAR 對(duì)工程以及周?chē)匦芜M(jìn)行測(cè)量和三維建模，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對(duì)工程自身的安全性、穩(wěn)定性等進(jìn)行評(píng)估，對(duì)工程的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算提供更加詳實(shí)、準(zhǔn)確的交互資料?？傊?，地基Li-DAR 能夠?yàn)榛顒?dòng)構(gòu)造研究和工程測(cè)量提供高精度、高分辨率的三維數(shù)據(jù)，是一種簡(jiǎn)便快速的數(shù)據(jù)獲取手段，其應(yīng)用潛力十分巨大。