三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的應用

馬漢君

（湖北君茂源評估有限公司，湖北 保康 441600）

1 三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測量中的重要性

三維激光掃描技術(shù)從上個世紀末開始應用于地形地質(zhì)測量工作中，通過三維激光掃描技術(shù)的應用可以大大提升地形地質(zhì)測量的準確性，與傳統(tǒng)的地形地質(zhì)測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)了更高精度的地形地質(zhì)測量，三維激光掃描技術(shù)和GPS空間定位系統(tǒng)是地形地質(zhì)測量上的兩大技術(shù)性突破。利用三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取地形地貌的三維坐標數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)三維制度提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。相對于傳統(tǒng)的地形地質(zhì)測量技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢：①使用三維激光掃描技術(shù)進行地形地貌測量時，掃描儀器會以網(wǎng)格的形式進行高精度、高密度、高速度和免棱鏡地掃描測試點，對測量位置的地形地貌數(shù)據(jù)進行全面細節(jié)性的獲取，精度高、速度快；②使用三維激光掃描技術(shù)制作的地形地貌圖精度遠遠好于傳統(tǒng)技術(shù)生成的圖形，同時采用傳統(tǒng)技術(shù)測量繪制地形地貌圖時需要工作人員進行大量的戶外測量工作，而使用三維激光掃描技術(shù)大大減少了測量人員的戶外作業(yè)任務量。并且即使是投入了大量的時間，傳統(tǒng)測量方式的精度遠不及三維激光掃描技術(shù)[2]。

2 三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量應用現(xiàn)狀

（1）三維激光掃描硬件的革新。①掃描速度越來越快。隨著三維激光掃描硬件的不斷革新，掃描速度也由每秒幾千點不斷提升，目前最新的三維激光掃描技術(shù)可以將掃描速度提升到每秒幾十萬點甚至更高，掃描速率的提升大大縮短了數(shù)據(jù)采集時間，降低了工作量，提高了地形地質(zhì)測量的工作效率，解決了地質(zhì)測量需要工作人員長時間在野外進行工作的問題。②掃描器件一體化、小型化。如今三維激光掃描儀器已經(jīng)由分立的儀器發(fā)展成為了一體式的儀器，不僅便于操作和攜帶，同時精度也得到了進一步的提升。③掃描角度實現(xiàn)了全景掃描。三維激光掃描的視場角從最早的幾十度已發(fā)展成為目前全景掃描（全景掃描），全景掃描的實現(xiàn)大大簡化了掃描操作，實現(xiàn)了一次性掃描全部測試點，大大提升了測量效率，簡化了工作量。④掃描精度不斷的提升。隨著激光掃描技術(shù)的不斷提升，三維激光掃描儀器可以實現(xiàn)對測試點進行微細掃描，精度達到了極大的提升。

（2）算法不斷的優(yōu)化。三維激光掃描技術(shù)除了硬件設(shè)備的提升，還需要配合高效的算法，合理的算法有利于提升測試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理速率，目前高效的軟件算法可以實時處理幾十億的測試點的數(shù)據(jù)量。三維激光掃描硬件配套的軟件系統(tǒng)可以做到高效處理大數(shù)據(jù)能力，這是保障三維激光掃描儀器整體工作效率的基礎(chǔ)，同時也是提升三維激光掃描儀器時效性的前提。

3 三維激光掃描技術(shù)的工作流程

（1）三維激光掃描技術(shù)。根據(jù)掃描平臺的不同，通常有三種類型的三維激光掃描系統(tǒng)：機器安裝的三維激光掃描系統(tǒng)、便攜式三維激光掃描系統(tǒng)和地面三維激光掃描系統(tǒng)。地面三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理是三維激光掃描發(fā)射器傳輸激光電磁波，它在物體表面的位置發(fā)生漫反射，一部分激光電磁波信號會沿著原來的路徑返回到三維激光發(fā)射器，這樣就可以獲取測試點與測試儀表之間的距離。同時，用精密時鐘控制橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。

（2）三維激光掃描技術(shù)的工作流程。三維激光掃描技術(shù)的工作涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、幾何重建、模型可視化、掃描結(jié)果輸出等，數(shù)據(jù)采集是三維激光掃描發(fā)射器傳輸激光電磁波，它在物體表面的位置發(fā)生漫反射，一部分激光電磁波信號會沿著原來的路徑返回到三維激光發(fā)射器，這樣就可以獲取測試點與測試儀表之間的距離。完成這些工作之后，通過相關(guān)軟件產(chǎn)生地形的幾何圖形和圖像數(shù)據(jù)信息，將模型的坐標或位置轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)，從而生成了可視化模型。這一過程是通過三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)據(jù)處理軟硬件件配合完成。

4 地質(zhì)測量運用三維激光掃描測量技術(shù)常見問題

三維激光掃描技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展和商業(yè)化，它在地質(zhì)測量領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。利用三維激光掃描技術(shù)測量地形地質(zhì)可以大大簡化工作，提升效率和準確性，但是在實際的工作中發(fā)現(xiàn)了一些問題：首先，雖然高性能的三維激光掃描儀表可以高效的掃描地形地質(zhì)，獲取有效的數(shù)據(jù)，但是如果計算機性能不佳無法快速處理獲取的測試點的三維數(shù)據(jù)，此時就會儀表就是出現(xiàn)卡頓、發(fā)熱的問題，不僅延長了測試時間，降低了工作效率，同時也不利于三維激光掃描儀器的長期使用。其次，三維激光掃描技術(shù)很容易受到地面表面覆蓋問題的影響。目前許多研究人員都在攻克這些問題，希望可以排除地面表面覆蓋問題的影響，拓展三維激光掃描技術(shù)的應用范圍。第三，由于三維激光掃描的軟件算法直接關(guān)系到整套設(shè)備的工作效率和測量精確度，因此往往一套三維激光掃描儀表的價格取決軟件算法，這就使得一套頂尖的軟件算法價格居高不下，并且軟件算法會定期更新，每次更新軟件算法都會收取費用，這也制約了三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量的普及。第四，三維激光掃描技術(shù)需要相關(guān)操作人員具備良好的工作技能，不僅可以較好的使用儀器儀表，同時還需要掌握軟件算法，只有這樣才可以真正將三維激光掃描技術(shù)最大化應用于實際的地形地質(zhì)數(shù)據(jù)測量和處理工作中。而目前真正掌握軟件算法的技術(shù)人員少之又少，制約了三維激光掃描技術(shù)的擴大。

5 結(jié)語

將三維激光掃描系統(tǒng)應用于地形地質(zhì)測量，實現(xiàn)了對地形地質(zhì)更細微的測量，降低了地質(zhì)測量的工作量，減少了測量人員外出測量的工作時間，提升了測量效率和準確性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)將會在地質(zhì)測繪中得到更深入的應用。因此，我國地質(zhì)工作者應該加強對三維激光掃描技術(shù)的研究，一方面做好掃描精度的提升，另一方面不斷優(yōu)化算法，提升測量效率，降低地質(zhì)測量難度和工作量。