三維激光掃描技術(shù)在1∶1萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查中的應(yīng)用
——以河北邢臺(tái)峽谷群國(guó)家地質(zhì)公園為例

李東海

(河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新興測(cè)繪技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)及物體三維測(cè)量等領(lǐng)域，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文在介紹三維激光掃描儀工作原理的基礎(chǔ)上，以邢臺(tái)峽谷群地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查為研究對(duì)象，以期能夠在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前，對(duì)地質(zhì)敏感區(qū)域進(jìn)行預(yù)警工作。利用三維激光掃描設(shè)備能夠快速獲取現(xiàn)場(chǎng)高精度三維數(shù)據(jù)，結(jié)合三維激光處理軟件，生成相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)剖面圖、局部細(xì)節(jié)尺寸等信息，為應(yīng)急災(zāi)害提供精準(zhǔn)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 三維激光掃描原理與方法

1.1 三維激光掃描儀基本原理

三維激光掃描儀的工作過(guò)程，實(shí)際上即一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程，它通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)(坐標(biāo)x、y、z，其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系)所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)高速激光的掃描測(cè)量，獲取目標(biāo)的點(diǎn)、線、面、體、空間等三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行高精度三維逆向建模，又稱(chēng)實(shí)景復(fù)制技術(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

為了能夠得到更好的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作，數(shù)據(jù)拼接有多種方法，如無(wú)目標(biāo)拼接、有目標(biāo)拼接及采集過(guò)程實(shí)時(shí)自動(dòng)處理拼接。

2 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集及點(diǎn)云處理

2.1 項(xiàng)目概況

河北邢臺(tái)峽谷群國(guó)家地質(zhì)公園1∶1萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的測(cè)量工作是依據(jù)《河北邢臺(tái)峽谷群國(guó)家地質(zhì)公園1∶1萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查設(shè)計(jì)書(shū)》開(kāi)展工作的。測(cè)繪主要工作內(nèi)容為：①1∶200剖面測(cè)量；②1∶500剖面測(cè)量；③1∶200立面測(cè)量。其中地質(zhì)剖面測(cè)量和立面測(cè)量工作主要是通過(guò)三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，從而提交相應(yīng)的符合精度要求的成果數(shù)據(jù)及報(bào)告。

本項(xiàng)目采用天寶SX10三維激光掃描儀完成測(cè)量工作。由于三維激光掃描需要將三維激光掃描儀獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)引入當(dāng)?shù)亟^對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)中，因此本項(xiàng)目在每個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)布設(shè)圖根點(diǎn)1個(gè)，圖根點(diǎn)采用河北省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(HBCORS)。

2.2 設(shè)備投入

設(shè)備投入包括：天寶R8接收機(jī)3套，天寶SX10三維激光掃描儀1套，電子手簿、計(jì)算機(jī)等硬件，以及TBC、Trimble Realworks、Office等軟件。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描技術(shù)具有更精度高、獲取距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目利用三維激光掃描技術(shù)采集地質(zhì)點(diǎn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合生成的地質(zhì)剖面模型進(jìn)行了地質(zhì)點(diǎn)處地質(zhì)剖面和立面測(cè)量工作。根據(jù)各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的區(qū)域大小、位置等情況，規(guī)劃掃描站數(shù)和需要測(cè)量的特征點(diǎn)，利用天寶SX10采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全站儀特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)主要利用天寶TBC、TRW軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的剖面線和立面圖等成果。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集分為準(zhǔn)備工作和掃描兩個(gè)階段。準(zhǔn)備工作主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，了解現(xiàn)場(chǎng)的具體環(huán)境，找出實(shí)地環(huán)境比較開(kāi)闊的地方進(jìn)行測(cè)站位置的選取，測(cè)站位置必須保證以最少的測(cè)站數(shù)獲取所有的目標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)站位置及每一站的掃描范圍來(lái)決定整體工作流程，每個(gè)測(cè)站利用已知控制點(diǎn)進(jìn)行定向工作，使用SX10設(shè)計(jì)測(cè)站，掃描所需要的點(diǎn)云，再利用SX10全站儀功能測(cè)量一些特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)用來(lái)檢核點(diǎn)云精度。SX10三維激光掃描儀最大掃描測(cè)程可達(dá)600 m，掃描速度高達(dá)26 600點(diǎn)/s，點(diǎn)云尺寸100 m處僅14 mm,最高掃描精度為1 mm，測(cè)角精度可達(dá)到1″。

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及分析

(1) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析。由于地質(zhì)環(huán)境周?chē)闹脖?、人工建筑物及天氣影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在少量系統(tǒng)誤差和噪聲，不能直接使用且點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，會(huì)消耗巨大的存儲(chǔ)空間，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定點(diǎn)云是否存在未掃描的部位，若存在缺失部分，需要進(jìn)行重新掃描，如果數(shù)據(jù)存在較小的空洞，可進(jìn)行補(bǔ)洞處理。在TBC中加載的原始三維點(diǎn)云如圖1所示。

(2) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪處理。在三維幾何模型中，特征和噪聲往往具有一些類(lèi)似的幾何屬性。為了將噪聲與特征區(qū)分開(kāi)來(lái)，將不連續(xù)、變化大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)看作噪聲，而將連續(xù)的起伏小的點(diǎn)云視為特征信息。理論上想要達(dá)到的去噪效果是在去除噪聲的同時(shí)盡可能保留點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征信息，但在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)際處理過(guò)程中，不僅需要去噪，還需要對(duì)模型的表面進(jìn)行重新構(gòu)建，使模型表面的曲面保持連續(xù)性。本項(xiàng)目根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)情況，采用雙邊濾波算法進(jìn)行點(diǎn)云去噪，利用TBC導(dǎo)出LAS格式后導(dǎo)入Trimble Realworks中進(jìn)行點(diǎn)云處理。

(3) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化。點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，其采集原理是以所需精度為間隔進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，這也造成了在地質(zhì)剖面上曲率較小的位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余的現(xiàn)象，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。本項(xiàng)目采用曲率采樣的方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，其主要思想為: 盡量保留曲率大的區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以保證點(diǎn)云的細(xì)節(jié)特征，利用Trimble Realworks通過(guò)減少曲率小區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方式來(lái)減少數(shù)據(jù)冗余。Realworks對(duì)曲率大的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)云處理如圖2所示。

(4) 表面模型生成。數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC可得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Trimble Realworks軟件自動(dòng)分類(lèi)地面、建筑物、電線桿和標(biāo)志、高植被。軟件可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的算法剔除周?chē)碾s點(diǎn)，根據(jù)效果抽稀點(diǎn)云。在剔除植被、地物等非地貌部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Trimble Realworks基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型，并對(duì)有問(wèn)題的部分進(jìn)行修改編輯。

(5) 數(shù)據(jù)成果生成。在Trimble Realworks軟件中，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，生成相應(yīng)位置和區(qū)域的地質(zhì)剖面線和立面圖，如圖3、圖4所示。并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有控制點(diǎn)，或利用SX10全站儀功能測(cè)量的特征點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)誤差檢核工作。Trimble Realworks數(shù)據(jù)處理軟件可以將剖面線、立面圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CAD(DXF/DWG)、GIS(SHP)等格式的數(shù)據(jù)成果。

3 技術(shù)問(wèn)題及處理情況

由于項(xiàng)目區(qū)域均位于山區(qū)，測(cè)量時(shí)間為初夏，山區(qū)存在很多樹(shù)木、草叢等植被，SX10外業(yè)掃描時(shí)也會(huì)把這些植被掃描進(jìn)來(lái)，這就需要內(nèi)業(yè)處理時(shí)剔除這些植被和草叢數(shù)據(jù)，否則會(huì)影響剖面線和立面圖等數(shù)據(jù)成果的精度。SX10后處理軟件采用Trimble TBC、Trimble Realworks軟件，該軟件具有點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)功能，可以在剔除植被、雜點(diǎn)、噪點(diǎn)之后再生成相應(yīng)數(shù)據(jù)成果，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)成果精度檢驗(yàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)利用三維激光掃描技術(shù)獲取到地質(zhì)區(qū)域的高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),對(duì)處理好的三維點(diǎn)云進(jìn)行特征提取，精確獲得整個(gè)坡體地面現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)典型區(qū)域進(jìn)行處理分析，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重性的預(yù)判和應(yīng)急處理。三維激光掃描技術(shù)無(wú)需事先埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備、非接觸測(cè)量、作業(yè)速度快、測(cè)量精度高，能夠及時(shí)反映地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域的總體形態(tài)，比較適合大型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。