三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測繪中的應(yīng)用研究

王定琨 姚月龍

江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一五地質(zhì)大隊(duì) 江西南昌 330000

1 三維激光掃描技術(shù)發(fā)展概述

三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)代國際上一種十分先進(jìn)的測量技術(shù)，其主要基于激光測距原理，通過記錄被測物體表面各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、紋理等信息來被測目標(biāo)進(jìn)行三維模型構(gòu)建并得到被測目標(biāo)線、面、體等相關(guān)數(shù)據(jù)。這一技術(shù)下實(shí)際測量的點(diǎn)數(shù)更多，所以基于以點(diǎn)成面的原理，三維激光掃描技術(shù)能夠完成面測量，這相較于傳統(tǒng)單點(diǎn)測量技術(shù)無疑形成巨大突破。此外，相較傳統(tǒng)測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)還具有快速性、無接觸性、實(shí)時(shí)動態(tài)性、高精度、數(shù)字化、自動化等顯著特點(diǎn)，相較傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全面性的突破。如三維激光掃描技術(shù)的掃描速度可以達(dá)到每秒數(shù)萬點(diǎn)，如此就極大提升了測量速度，同時(shí)該技術(shù)所進(jìn)行的細(xì)微點(diǎn)位的測量，能夠進(jìn)一步提升測量精度，保證測量的準(zhǔn)確性[1]。由此可見，三維激光掃描技術(shù)在測量方面擁有極為突出的優(yōu)勢，加之其能夠在汽車、飛機(jī)、地面等不同載體上進(jìn)行裝載，如此就使得其在實(shí)踐中的應(yīng)用變得極為廣泛。目前，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等諸多領(lǐng)域，并對這些領(lǐng)域工作的開展提供了強(qiáng)大技術(shù)支撐。

2 三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)程序

當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)實(shí)際工作的具體程序一般為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、地面物體提取與繪制、等高線生成、地形圖編輯。

數(shù)據(jù)采集是其在地質(zhì)測繪中發(fā)揮作用的第一步，其主要目的是對勘測區(qū)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，以掌握勘測區(qū)的具體情況。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，為確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性并減少數(shù)據(jù)處理的工作量，通常不需要選取過多勘測區(qū)站點(diǎn)。同時(shí)采集中還需要利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與處理。此外，數(shù)據(jù)采集過程中在進(jìn)行采樣標(biāo)準(zhǔn)選取時(shí)還必須注意以標(biāo)準(zhǔn)比例尺為規(guī)格。

數(shù)據(jù)處理過程主要是利用消除和分隔噪聲、變換坐標(biāo)、匹配圖像和點(diǎn)石匹配等方式對數(shù)據(jù)加以處理，期間需要注意對不同站點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，并將這些信息統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系中。此外還要對各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)做好定量分析并對測量目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)模。

地面物體提取和繪制主要是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配以及激光掃描結(jié)果的處理來進(jìn)一步借助相關(guān)軟件進(jìn)行地質(zhì)特點(diǎn)的繪制。繪制出對地面物體可以被轉(zhuǎn)換成所需格式并被存儲起來。

等高線生成主要是進(jìn)一步對地形的各種干擾因素進(jìn)行排除，然后再結(jié)合測繪技術(shù)的具體精度標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行改動，最后借助專業(yè)軟件將處理后的信息數(shù)據(jù)生成等高線，從而完成地質(zhì)測繪。

地形圖編輯是地質(zhì)測繪工作的最后一環(huán)，其主要通過將地面物體圖形與等高圖形進(jìn)行匹配然后再相應(yīng)完成各編輯動作。實(shí)踐中需要將軟件編輯與手動編輯相互結(jié)合，以應(yīng)對實(shí)際編輯過程中出現(xiàn)的各種問題[2]。

3 三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測繪中的具體應(yīng)用

目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在地質(zhì)測繪中的許多測量工作中得到應(yīng)用，如地形測繪、地質(zhì)研究、滑坡監(jiān)測，極大推動現(xiàn)代地質(zhì)測繪工作的發(fā)展。

3.1 在邊坡安全監(jiān)測中的應(yīng)用

在地質(zhì)測繪領(lǐng)域，邊坡的情況監(jiān)測是十分關(guān)鍵的，其關(guān)系到地質(zhì)工程中邊坡的安全性。邊坡安全問題主要涉及邊坡的破壞信息，即實(shí)踐中需要通過測量技術(shù)獲取信息并對邊坡破壞進(jìn)行預(yù)測、破壞狀況分析，進(jìn)而做好邊坡破壞的預(yù)防。利用三維激光掃描技術(shù)，地質(zhì)測繪中可以對邊坡災(zāi)害發(fā)生前后地形變化實(shí)施測量，從中獲取邊坡信息并對其可能發(fā)生的破壞與危害進(jìn)行預(yù)防。該技術(shù)在邊坡安全監(jiān)測中的具體應(yīng)用一般是先進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，然后利用DEM、TIM等軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與模型構(gòu)建，然后再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后，就可以通過進(jìn)一步的分析賴對邊坡安全實(shí)施監(jiān)測并做好相關(guān)預(yù)防。其主要分析內(nèi)容一般包含平面圖的重合比較、等高線重合比較、斷面圖重合比較、斷面圖差分比較等。

3.2 地質(zhì)露頭研究中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)露頭中的應(yīng)用主要涉及露頭三維模型獲取、供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、地震研究等方面內(nèi)容。實(shí)際應(yīng)用中，人們可以利用該技術(shù)對地質(zhì)露頭的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并利用相關(guān)軟件對地質(zhì)露頭模型進(jìn)行構(gòu)建，從而獲取到其三維空間內(nèi)的點(diǎn)、線、面、體等信息，然后再以DXF 格式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后期圖像繪制過程中，進(jìn)而展開對地質(zhì)露頭的進(jìn)一步研究

3.3 在基礎(chǔ)地形繪制中的應(yīng)用

基礎(chǔ)地形繪制中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要按照以下程序進(jìn)行：①對基礎(chǔ)地形進(jìn)行掃描。期間需要結(jié)合具體的地勢地形環(huán)境進(jìn)行掃描站點(diǎn)的合理設(shè)置，并調(diào)整好分辨率、掃描范圍，同時(shí)控制好各站點(diǎn)的具體坐標(biāo)。②利用相關(guān)軟件對要掃描的站點(diǎn)的坐標(biāo)加以控制，使各站點(diǎn)能夠在同一坐標(biāo)之中，然后對輸出進(jìn)行拼接，最終完成掃描數(shù)據(jù)在坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)換。③利用軟件對建筑物與制備進(jìn)行剔除并構(gòu)建出一個(gè)TIN 網(wǎng)，然后再對其進(jìn)行優(yōu)化。④以TIN 網(wǎng)為基礎(chǔ)生產(chǎn)等高線，完成基礎(chǔ)地形繪制[4]。

3.4 在地質(zhì)裂縫研究中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜地質(zhì)的測量，如在地質(zhì)裂縫中，三維激光掃描技術(shù)可以對裂縫中的三維信息進(jìn)行有效收集。一方面，該技術(shù)能夠拍攝高密度、高清晰度照片然后再借助虛擬功能對這些照片導(dǎo)入相關(guān)軟件中進(jìn)行處理。另一方面，可以借助軟件再進(jìn)行模型構(gòu)建，用以對裂縫進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)能夠在當(dāng)前地質(zhì)測繪的多領(lǐng)域工作中都加以運(yùn)用，并依靠其突出的功能優(yōu)勢提升地質(zhì)測繪測量效率與準(zhǔn)確度，因此未來的地質(zhì)測繪中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)該技術(shù)應(yīng)用的研究，以為地質(zhì)工程相關(guān)工作產(chǎn)生推動作用。