TLS技術(shù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息的應(yīng)用前景

侯宇徽，宋德坤，李建宇，郭秋志

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 前 言

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受坡體內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面控制，分析邊坡巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的分布組合規(guī)律是研究邊坡巖體變形破壞機(jī)制的基礎(chǔ)。因此，準(zhǔn)確、高效獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息，對(duì)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性有著重要意義。傳統(tǒng)的羅盤測(cè)量方法不僅工作效率低，而且面對(duì)高陡邊坡以及危險(xiǎn)邊坡的時(shí)候，該方法存在很大的局限。三維激光掃描技術(shù)(TLS)作為一種新興的測(cè)繪方法，具有非接觸、快速、高精度等特點(diǎn)，通過向被測(cè)物體發(fā)射激光點(diǎn)來獲取目標(biāo)對(duì)象表面真實(shí)的三維坐標(biāo)信息?；诖耍姸鄬W(xué)者開展了應(yīng)用三維激光(TLS)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息方面的研究，取得了豐碩的成果。

1 TLS技術(shù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息的應(yīng)用現(xiàn)狀

董秀軍等[1]在介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用，包括工程中的定位問題、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測(cè)量、高陡邊坡地表節(jié)理裂隙調(diào)查和輔助地質(zhì)編錄，最后討論了該項(xiàng)技術(shù)的適用性和不足[1]。施星波[2]介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，提出了一種結(jié)合人工選取和計(jì)算機(jī)輔助顏色識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)結(jié)構(gòu)面的識(shí)別，解決了識(shí)別過程中的大地坐標(biāo)與模型坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法、顏色識(shí)別中顏色距離閾值ΔE取值范圍的選擇等問題，采用圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的全自動(dòng)識(shí)別[2]。劉昌軍等[3]對(duì)高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)重構(gòu)，計(jì)算重構(gòu)的三角網(wǎng)平面方程的法向向量及產(chǎn)狀，利用模糊C平均群聚方法對(duì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行群聚分類。應(yīng)用IDL語(yǔ)言編制了基于海量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析軟件FSS[3]。張文[4]提出了利用三維激光掃描儀采集巖體結(jié)構(gòu)信息獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的流程及處理方法，設(shè)計(jì)了基于Polyworks、Cyclone軟件的產(chǎn)狀計(jì)算程序，研究了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的地質(zhì)編錄圖生成方法，并開發(fā)了巖體結(jié)構(gòu)信息管理系統(tǒng)[4]。朱云福[5]在海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面重建和掃描空洞與植被噪音濾波基礎(chǔ)上，采用區(qū)域生長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的識(shí)別，以Visual Studio C++6.0為開發(fā)環(huán)境，研制了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面識(shí)別及其幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)的功能[5]。

萬宏華[6]通過截取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)字段對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)，采用體素化分析和歐式距離判斷準(zhǔn)則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和離群點(diǎn)移除，然后采用改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)算法識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)面，并擬合結(jié)構(gòu)面法向量進(jìn)而計(jì)算產(chǎn)狀。以Visual Studio 2010C++為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合點(diǎn)云庫(kù)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[6]。張小越[7]對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后，編制Excel VBA宏程序，實(shí)現(xiàn)根據(jù)連續(xù)3個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的計(jì)算，通過區(qū)域增長(zhǎng)法進(jìn)行危巖體的結(jié)構(gòu)面識(shí)別，基于Microsoft Visual C++6.0程序開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面識(shí)別和產(chǎn)狀計(jì)算全自動(dòng)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)[7]。葛云峰等[8]根據(jù)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的區(qū)域生長(zhǎng)法與解析幾何理論，實(shí)現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面智能識(shí)別與信息提取[8]。吳澤坤等[9]首先介紹了危巖體調(diào)查的意義以及危巖落石調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取原理，分析了三維激光技術(shù)的運(yùn)用原理和特點(diǎn)，并結(jié)合具體的實(shí)例闡述了三維激光技術(shù)在危巖體調(diào)查中的運(yùn)用[9]。陳娜[10]分析了基于三維激光掃描技術(shù)提取巖體結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹了三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取與處理流程?；诟倪M(jìn)的Ransac算法對(duì)Cloud Compare的形狀提取插件RSD(Ransac Shape Detection)做了二次開發(fā)，將之改編成可以適用于巖體結(jié)構(gòu)面提取的插件RDD(Ransac Discontinuity Detection)，使用Concave算法描繪出了結(jié)構(gòu)面的真實(shí)邊界，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)面的真實(shí)面積[10]。

2 方法應(yīng)用前景分析

應(yīng)用三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取巖體結(jié)構(gòu)面信息可以避免傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也存在一些問題，例如三維激光掃描容易受到地表植被和濕度的影響，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)受到干擾存在大量噪音；基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)人工提取結(jié)構(gòu)面信息工作量仍然較大；現(xiàn)有的自動(dòng)化獲取結(jié)構(gòu)面信息的方法精度不高，存在部分誤識(shí)別現(xiàn)象。如何提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度以及開發(fā)更高效、更可靠的巖體結(jié)構(gòu)面計(jì)算機(jī)識(shí)別程序,是今后的研究方向。

3 結(jié) 論

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取邊坡巖體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上提取巖體結(jié)構(gòu)面信息，這種方法可以有效避免傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，提高工作效率。但仍然存在一些問題，在今后的工作中，應(yīng)注重提高三維激光掃描的精度以及準(zhǔn)確快速識(shí)別巖體結(jié)構(gòu)面程序的開發(fā)。筆者相信，該方法會(huì)在未來的實(shí)際工作中發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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