地質(zhì)測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

馮濤

(山西國(guó)測(cè)新圖信息技術(shù)有限公司，山西 晉城 048000)

三維激光掃描技術(shù)屬于新興技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)激光射器向被測(cè)對(duì)象發(fā)出光線，光線抵達(dá)物體表面后反射至接收器，由光轉(zhuǎn)換器將反射光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)發(fā)送至終端程序進(jìn)行譯碼處理，進(jìn)而獲得相應(yīng)信息。該技術(shù)如今在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，不僅為相關(guān)測(cè)繪機(jī)構(gòu)節(jié)省了資金成本，也提升了測(cè)繪工作的效率，更確保了測(cè)繪人員的人身安全。且該技術(shù)中融合了多種先進(jìn)技術(shù)，充分保障了測(cè)繪數(shù)據(jù)的質(zhì)量，尤其是可以在沒(méi)有燈光的情況下采集數(shù)據(jù)，這是很多測(cè)繪技術(shù)均不具備的優(yōu)勢(shì)。

1 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度高

傳統(tǒng)測(cè)量工藝中通常需要測(cè)量工人拿著尺子和其他測(cè)量工具對(duì)物體進(jìn)行近身測(cè)量，然而地質(zhì)測(cè)繪的工作環(huán)境往往較為復(fù)雜，甚至很多時(shí)候需要在惡劣的環(huán)境中開(kāi)展測(cè)量工作。為了避免測(cè)量工人在測(cè)繪工作中發(fā)生安全事故，一些難以測(cè)量的位置通常會(huì)被略過(guò)，如此一來(lái)也就導(dǎo)致了測(cè)量數(shù)據(jù)缺乏完整性和準(zhǔn)確性受到了影響。而三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用后此方面問(wèn)題得到了很好地解決，首先，在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，測(cè)量人員不必再近身測(cè)量，即使掃描儀和被測(cè)物體之間隔著較遠(yuǎn)的距離，只要調(diào)整好參數(shù)和角度，依然能夠有效減少數(shù)據(jù)誤差。如中遠(yuǎn)距離激光掃描儀，其在作業(yè)時(shí)單點(diǎn)精度可以達(dá)到mm-cm級(jí)，我國(guó)掃描儀種類(lèi)繁多，不同種類(lèi)、不同規(guī)格的掃描儀在精度上也有所不同，測(cè)繪人員通常會(huì)根據(jù)工作要求科學(xué)選擇掃描儀。全站儀的精度相對(duì)而言較高，三維激光掃描技術(shù)雖然在此方面與其有一定差距，但若是從模型化精度而言，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展此方面已經(jīng)得到了強(qiáng)化，能夠充分確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性滿足工作需求。另外，在該技術(shù)應(yīng)用下，操作人員可以不必反復(fù)針對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，可以大幅度減少操作人員的工作任務(wù)量，并且不會(huì)影響三維建模質(zhì)量[1]。

1.2 強(qiáng)化測(cè)繪工作效率

地質(zhì)測(cè)繪工作極具系統(tǒng)性和專(zhuān)業(yè)性，對(duì)測(cè)繪人員以及測(cè)繪工藝都有較高的要求，在先進(jìn)技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用之前，開(kāi)展測(cè)繪工作時(shí)往往需要投入大量人力物力和財(cái)力，并且耗時(shí)較久。而在眾多先進(jìn)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用后，地質(zhì)測(cè)繪工作的工作效率有了明顯提升，在這些新興技術(shù)中，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用頻率較高，因?yàn)槠洳僮鬏^為方便，且能夠有效確保測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，前期購(gòu)置設(shè)備的資金投入和后期維護(hù)資金投入都相對(duì)較小。此外，其能夠有效縮短測(cè)繪所用時(shí)間，當(dāng)操作人員用掃描儀掃描被測(cè)物體后的幾秒內(nèi)就可以獲得相應(yīng)信息，并且可以在短時(shí)間內(nèi)針對(duì)空間信息進(jìn)行激光掃描。很多地質(zhì)測(cè)繪工程中都會(huì)涉及大面積空間，獲取此方面數(shù)據(jù)信息也往往較難，而三維激光掃描技術(shù)恰恰可以很輕松地解決此方面問(wèn)題。目前所使用的掃描儀采集速率已經(jīng)達(dá)到了千點(diǎn)/秒-十萬(wàn)點(diǎn)/每秒，這是三維激光掃描技術(shù)所獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.3 具備非接觸性

三維激光掃描技術(shù)主要以掃描工藝為主，通過(guò)掃描測(cè)繪人員可以快速獲得測(cè)繪數(shù)據(jù)，而其所帶有的非接觸性特征則指的是，操作人員在應(yīng)用該技術(shù)開(kāi)展測(cè)繪工作時(shí)，不必像傳統(tǒng)測(cè)繪人員般接觸測(cè)量目標(biāo)，只需要通過(guò)激光掃描就可以得到相應(yīng)物體和空間的三維信息。無(wú)論是礦山地質(zhì)檢測(cè)，還是建筑工程地質(zhì)檢測(cè)，其往往都會(huì)存在因客觀因素而導(dǎo)致測(cè)繪人員無(wú)法開(kāi)展測(cè)量工作的情況，尤其是一些地理環(huán)境極其惡劣的山區(qū)，若要在此區(qū)域內(nèi)開(kāi)展測(cè)繪工作往往困難重重，更遑論對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行接觸性測(cè)量。而三維激光掃描技術(shù)則不會(huì)受此方面影響，并且，一些先進(jìn)技術(shù)雖然可以針對(duì)洞穴進(jìn)行精度測(cè)量，但若其內(nèi)部環(huán)境過(guò)于黑暗，也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成影響。三維激光掃描技術(shù)因可以通過(guò)紅外線進(jìn)行測(cè)量，也不會(huì)存在此方面問(wèn)題[2]。

1.4 受外界因素影響較小

我國(guó)目前應(yīng)用于地質(zhì)測(cè)繪方面的測(cè)量技術(shù)有很多，且這些技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)，最基本的優(yōu)勢(shì)在于，這些技術(shù)通常都能夠充分確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性、全面性。但這些技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中有時(shí)會(huì)受到外界因素影響，尤其是自然環(huán)境，但三維激光掃描技術(shù)卻鮮少會(huì)受到外界因素影響。地質(zhì)測(cè)繪工作通常在室外進(jìn)行，且很多測(cè)繪項(xiàng)目處于山區(qū)，當(dāng)?shù)夭粌H地形地貌復(fù)雜，還可能多雨、多雷電，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貪穸群蜏囟榷汲尸F(xiàn)出異常狀態(tài)。此時(shí)若使用其他測(cè)量技術(shù)很可能會(huì)因自然環(huán)境而對(duì)其測(cè)量效率造成影響，但三維激光掃描技術(shù)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，并不會(huì)受天氣、溫度、濕度等方面的影響。且其具有紅外線掃描功能，能夠在漆黑的環(huán)境下正常開(kāi)展掃描工作，因此只要掃描儀自身沒(méi)有出現(xiàn)故障，其可以全天不間斷地進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用流程

根據(jù)對(duì)三維激光掃描技術(shù)以及地質(zhì)測(cè)繪工作的了解，當(dāng)其處于地質(zhì)測(cè)繪工作環(huán)境下時(shí)，其應(yīng)用流程為：1)先派遣人員進(jìn)行實(shí)地勘察，主要是為了確認(rèn)操作環(huán)境布局，以便于確定更合適的掃描點(diǎn)，然后讓測(cè)繪人員對(duì)測(cè)繪工作要求進(jìn)行分析，分析后分別設(shè)置掃描設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，最后在開(kāi)展測(cè)繪工作時(shí)，測(cè)繪人員需要嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行，對(duì)待測(cè)區(qū)域的三維點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描；2)在掃描儀工作后，其會(huì)獲得大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均是建立三維模型的基礎(chǔ)，在GPS系統(tǒng)作用下，三維激光掃描技術(shù)能夠精準(zhǔn)定位，并構(gòu)建出立體圖像。獲得三維模型后，測(cè)繪人員可以根據(jù)該模型對(duì)整個(gè)測(cè)繪點(diǎn)進(jìn)行更深入的剖析，包括其地質(zhì)地貌、環(huán)境等方面；3)建立好三維立體模型后，測(cè)繪人員需要據(jù)此來(lái)建立信息系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)揮該技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，對(duì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，這些數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用到其他測(cè)繪工作節(jié)點(diǎn)中，以此來(lái)開(kāi)展數(shù)字化管理工作[3-5]。

3 三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測(cè)繪中的具體應(yīng)用

3.1 采集地質(zhì)數(shù)據(jù)

地質(zhì)測(cè)繪工程開(kāi)展過(guò)程中需要對(duì)多個(gè)方面進(jìn)行測(cè)繪，以便于測(cè)繪人員獲得更全面的地質(zhì)水文信息，為后續(xù)施工、作業(yè)提供有效依據(jù)。若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，測(cè)繪人員就需要通過(guò)相應(yīng)的測(cè)繪手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，如三維激光掃描技術(shù)。以礦山開(kāi)挖為例，礦山在開(kāi)挖之前必須對(duì)礦山進(jìn)行必要的測(cè)繪工作，而測(cè)繪工作的主要內(nèi)容就是獲取數(shù)據(jù)，一些常規(guī)測(cè)量工具能夠針對(duì)礦山的基礎(chǔ)信息進(jìn)行測(cè)量，一些難以開(kāi)展測(cè)量工作的區(qū)域則通常使用三維激光掃描技術(shù)，或是無(wú)人機(jī)技術(shù)。在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，如果想要充分確保其測(cè)量精準(zhǔn)度，最好能夠以計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助。此外，也要科學(xué)選擇掃描儀，市面上很多掃描儀自身質(zhì)量不過(guò)關(guān)，若使用了這些掃描儀，必然也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集方面造成影響。若數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)失誤，不僅會(huì)對(duì)礦山開(kāi)挖工程造成影響，甚至可能因此而引發(fā)安全事故，因此需格外注意。

3.2 預(yù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)

在應(yīng)用該技術(shù)采集到所需數(shù)據(jù)信息后，這些數(shù)據(jù)信息還不能夠直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行處理，也就是預(yù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)。在開(kāi)展此項(xiàng)工作時(shí)，測(cè)繪人員需通過(guò)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行消除和分離，如果此類(lèi)數(shù)據(jù)始終無(wú)法分離出去，會(huì)導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)存在一定誤差。此外，在測(cè)量數(shù)據(jù)中一定會(huì)有坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)有時(shí)與實(shí)際情況不符，測(cè)繪人員也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行改換，并據(jù)此來(lái)匹配圖像和點(diǎn)石頭，確保數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。再者，測(cè)繪人員需要通過(guò)一系列技術(shù)手段來(lái)處理和匹配不同點(diǎn)位之間的數(shù)據(jù)，此舉是為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，因?yàn)樵趻呙鑳x作用下獲取的數(shù)據(jù)在表現(xiàn)形式上可能存在差異，如果不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，將難以開(kāi)展后續(xù)工作。地質(zhì)信息的分析工作較為繁雜，需要分層處理，即預(yù)處理完成后，還需要對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)，尤其在構(gòu)建模型后，還應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位分析[6-7]。

3.3 提取繪制地面物體

對(duì)于地質(zhì)測(cè)繪而言，其在開(kāi)展過(guò)程中往往需要對(duì)多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，地面物體是其中十分關(guān)鍵的部分。一般而言，如果地質(zhì)信息還沒(méi)有被分析處理，那么其在系統(tǒng)內(nèi)通常以多組信息數(shù)據(jù)的形式存放，此時(shí)其并沒(méi)有多少使用價(jià)值，而對(duì)其進(jìn)行處理后，其會(huì)成為建模的依據(jù)。但在此過(guò)程中需要將地面物體的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和繪制，從而構(gòu)建出目標(biāo)區(qū)域的地貌模型，并以矢量表達(dá)的形式來(lái)呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)信息[8-9]。在該工作環(huán)節(jié)下，三維激光掃描技術(shù)也能發(fā)揮很好的作用，因?yàn)槠渲恍枰獙?duì)物體表面輕輕掃描一下，就可以獲取數(shù)據(jù)，并將其與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，在特殊軟件作用下，所獲得的數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)其被轉(zhuǎn)換成便于存儲(chǔ)的格式后，測(cè)繪人員需要將其提前出來(lái)，然后導(dǎo)入到相應(yīng)的制圖軟件，最終完成繪圖操作。

3.4 生成等高線

在應(yīng)用掃描儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其已經(jīng)將附近的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了掃描，并進(jìn)行了存儲(chǔ)[10-11]，其中以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為主，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以知道，數(shù)據(jù)中囊括的種類(lèi)較多，除了基礎(chǔ)的地質(zhì)信息外，還包含了樹(shù)木、植被以及房屋等方面信息。這些信息處理起來(lái)并不會(huì)耗費(fèi)多少時(shí)間和精力，但其中也收錄了噪音，若要使這些數(shù)據(jù)得到有效應(yīng)用，首先需要對(duì)噪音進(jìn)行處理，處理完此方面信息后，還要對(duì)剩余信息進(jìn)行甄別，挑選出非地形信息，然后刪除掉這些信息。如此一來(lái)才可充分確保現(xiàn)存數(shù)據(jù)信息均為地質(zhì)測(cè)繪的有效信息，在開(kāi)展工作時(shí)主要使用Cyclone軟件進(jìn)行作業(yè)。數(shù)據(jù)剔除后，下一步就是要生成等高線，此時(shí)需要借助CASS軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用該軟件之前，技術(shù)人員需要對(duì)該軟件的參數(shù)進(jìn)行重置，使其能夠完全滿足當(dāng)下測(cè)繪工作的使用要求，如等高兼具手動(dòng)測(cè)繪區(qū)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)其處于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)后，只需要點(diǎn)擊一下就可以自動(dòng)生成等高線。疊加生成的等高線圖形和地物圖進(jìn)行疊加后再進(jìn)行編輯，就可以針對(duì)等高線的部分問(wèn)題進(jìn)行處理，如有些等高線會(huì)出現(xiàn)局部缺損，或是扭曲情況。除了自動(dòng)校正外，測(cè)繪人員還可以根據(jù)相應(yīng)的圖片來(lái)進(jìn)行手動(dòng)校正，然后在改動(dòng)的部分做好標(biāo)記，最后方可得到一個(gè)完善的地形圖。

3.5 編輯地形圖

獲得地形圖后還不能夠?qū)⑵渲苯油度氲焦こ添?xiàng)目中，還需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步編輯，事實(shí)上，之所以對(duì)其進(jìn)行編輯，主要是為了能夠確保地面實(shí)物圖形能夠與等高線圖形實(shí)現(xiàn)高度一致，否則會(huì)對(duì)后期施工、作業(yè)等方面造成麻煩。測(cè)繪人員開(kāi)展地形圖編輯工作時(shí)，需要對(duì)一些數(shù)據(jù)信息處理，通常將數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，或是以一些其他數(shù)據(jù)來(lái)替代原數(shù)據(jù)。如此一來(lái)前期數(shù)據(jù)的完整性就遭到了破壞，等高線出現(xiàn)偏差是難以避免的事情，這也會(huì)導(dǎo)致地形圖編輯工作變得更加難以開(kāi)展，此時(shí)需要專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)手頭資料進(jìn)行人工干預(yù)，如對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)充，以此來(lái)確保地形圖資料的完整性。我國(guó)在此方面能夠發(fā)揮作用的軟件有很多，但這些軟件在性能上依然有所欠缺，今后還應(yīng)針對(duì)這些軟件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和革新，盡量減少人為操作，因?yàn)槿藶橛?jì)算數(shù)據(jù)的速度和精準(zhǔn)度都難以與科技相媲美。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)我國(guó)不斷加快城市化建設(shè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)，使得人們的生活水平有了很大提升，而在城市建設(shè)和城鎮(zhèn)建設(shè)過(guò)程中，出現(xiàn)了越來(lái)越多的基礎(chǔ)工程，這些工程在正式開(kāi)展之前往往都需要進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪工作。雖然我國(guó)已經(jīng)具備多種先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)，但這些技術(shù)不同，所產(chǎn)生的測(cè)繪效果也有所不同，對(duì)測(cè)繪環(huán)境的要求也存在差異。而三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中卻鮮少會(huì)受外界因素影響，因此該技術(shù)不但拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，日常測(cè)繪工作中也通常以該技術(shù)為主。若要充分發(fā)揮該技術(shù)作用，操作人員還應(yīng)嚴(yán)格按照項(xiàng)目測(cè)繪要求來(lái)調(diào)整掃描儀參數(shù)，強(qiáng)化其數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理水平。