三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)工程中的綜合應(yīng)用

宗俊秀

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們生活水平的不斷提升，對(duì)于水利水電、礦山開(kāi)采方面的要求也不斷地提升。在實(shí)施工程建設(shè)之前需要對(duì)地質(zhì)實(shí)施合理的勘察，獲得大量的地質(zhì)勘察信息，判斷空間分布的形態(tài)，分析松動(dòng)變形體規(guī)模等相關(guān)的內(nèi)容。尤其是一些山區(qū)的工程項(xiàng)目，不僅任務(wù)繁重，并且開(kāi)挖、支護(hù)、運(yùn)渣等工序都會(huì)存在一定的困難[1]。例如：水電工程在建設(shè)之前，電站的選址基本上都是處于高陡邊坡的環(huán)境當(dāng)中，但是，在邊坡開(kāi)挖之前，就需要對(duì)這些結(jié)構(gòu)信息實(shí)施合理的分析，并且探究其中的穩(wěn)定性。像游瑪爾擋水電站、西藏怒江流域羅拉、怒江橋電站等，坡高數(shù)百米，稍有差池，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果出現(xiàn)，巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查顯得特別的重要[2]。三維空間影像獲取的攝影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)方式存在著較大的差異性。只有合理地使用這些三維數(shù)據(jù)并且完成信息的采集工作，那么才可以使用自身的優(yōu)勢(shì)，解決地質(zhì)測(cè)繪中存在的難題。

1 三維空間影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

在實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)用三維空間影像技術(shù)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況踏勘，并且確定對(duì)應(yīng)的范圍，了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，尤其是一些掃描機(jī)位點(diǎn)的位置，只有合理地整合內(nèi)容，才可以滿(mǎn)足當(dāng)前的發(fā)展計(jì)劃。之后，需要根據(jù)掃描的區(qū)域，確定對(duì)應(yīng)的位置，并且合理地分析建筑物的目標(biāo)遮擋關(guān)系，確定位點(diǎn)以后，設(shè)置坐標(biāo)控制標(biāo)靶。不管是相機(jī)參數(shù)，還是掃描的距離，都需要在高精度的基礎(chǔ)上進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量工作。在直觀的基礎(chǔ)上，加大信息的配合程度，建立科學(xué)的耦合目標(biāo)，滿(mǎn)足信息細(xì)節(jié)的提取[3]。結(jié)合彩色信息的幾何補(bǔ)充，加大彩色像素的疊加和建設(shè)，從三維的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高實(shí)際的應(yīng)用性，建立可以操作的發(fā)展模式。數(shù)據(jù)需要由激光掃描儀獲取采集，經(jīng)軟件的匹配疊加技術(shù)以后，即可生成網(wǎng)絡(luò)模型。三維激光掃描設(shè)備機(jī)位點(diǎn)選擇主要是現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地形條件的勘測(cè)[4]。

1.2 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在當(dāng)前的發(fā)展路徑中，會(huì)受到眾多因素的影響，不僅會(huì)涉及到施工粉塵的問(wèn)題，還會(huì)涉及到移動(dòng)車(chē)輛、人員等方面的問(wèn)題。此時(shí)，就需要結(jié)合實(shí)際，在后期將這些噪音點(diǎn)去除。使用云數(shù)據(jù)拼接的方式，轉(zhuǎn)換為后期的云數(shù)據(jù)實(shí)施合理的處理。不管處理的方式如何，都需要結(jié)合實(shí)際的需要，分析需要處理的重點(diǎn)內(nèi)容。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理中，需要在多站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)拼接匹配的基礎(chǔ)上，對(duì)三角面片模型化等實(shí)施合理的處理。信息被提取之后，就可以結(jié)合自己的需要，將相關(guān)的格式呈現(xiàn)出來(lái)。

1.3 數(shù)字近景攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合實(shí)際分析被測(cè)物體及研究區(qū)域地形需要勘察的內(nèi)容，掌握區(qū)域的邊界問(wèn)題，明確各個(gè)部分之間的邏輯關(guān)系。在搞清了分布的狀況之后，進(jìn)一步探究物體之間的遮擋關(guān)系。在初步的分析中，選擇出合理拍攝路線。在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合實(shí)際的需要分析光線的時(shí)間變化，分析哪些地方在什么樣的時(shí)間下陰影是多少，逆光的部分是多少，溫度是多少等等，這些因素在很大程度上，都會(huì)影響勘測(cè)的效果[5]。在拍攝路線和規(guī)劃的選擇上，也需要達(dá)到一定的精準(zhǔn)度，如果不能滿(mǎn)足這個(gè)精準(zhǔn)度，就會(huì)很難達(dá)到滿(mǎn)意的效果，甚至還會(huì)出現(xiàn)測(cè)量失敗的問(wèn)題出現(xiàn)。在勘測(cè)的時(shí)候，需要選擇地面的控制帶，找到合適的后期坐標(biāo)測(cè)量位置，在多站拍攝的基礎(chǔ)上最大限度地控制拍攝的范圍，加大區(qū)域的分布情況，保持整體的控制作用。對(duì)于便捷的位置，也需要找到一個(gè)合理的控制點(diǎn)，尤其是陡崖的頂部或者是底部的位置。

2 三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)工程中的綜合應(yīng)用

2.1 三維空間影像技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用

以往傳統(tǒng)的的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前的發(fā)展需求，不僅細(xì)節(jié)性不足，并且精度也不能達(dá)到現(xiàn)代化的標(biāo)準(zhǔn)。三維空間影像技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了測(cè)繪新方法，并且在一些艱難險(xiǎn)重的地形中，都可以將自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)性真實(shí)地呈現(xiàn)出來(lái)。此種方式不僅是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的測(cè)量，也是為了滿(mǎn)足精讀的發(fā)展目標(biāo)。另外，還需要在三維的坐標(biāo)數(shù)據(jù)下，加大數(shù)據(jù)的點(diǎn)擊，合理地控制信息、粉塵、車(chē)輛噪音等信息[6]。在合理的處理下，解決實(shí)際的困難。不同比例尺地形圖需要在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得有效的抽稀與提取。在不同比尺地形圖的測(cè)點(diǎn)間距選擇上，可以根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)密度及特征點(diǎn)，獲得關(guān)鍵性的依據(jù)，保持細(xì)節(jié)的精度建設(shè)。地形三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形圖繪制，需要經(jīng)抽稀、精簡(jiǎn)處理合成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，保持合理的整合需要，根據(jù)斷崖、河溝、陡崖等細(xì)節(jié)，保持一定的精準(zhǔn)度，根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需要，尋找合適的勘察方式[7]。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地物測(cè)繪可以解決一些精度的問(wèn)題，也可以解決空間形態(tài)的問(wèn)題，保持一定的關(guān)注度。地形圖等高線及地物匹配上，需要以點(diǎn)線面的方式，對(duì)三維的數(shù)據(jù)重新地提取，集合不一樣的顏色，合理地統(tǒng)籌規(guī)劃，保持可持續(xù)的發(fā)展路徑。在不同的行業(yè)或者是不同的單位中，需要匹配的內(nèi)容都不一樣。地形圖分幅的時(shí)候，需要結(jié)合自身的功能性，合理地統(tǒng)籌規(guī)劃，保持地形三維模型的建立。Auto CAD 等高線文件快速三維模型化建設(shè)，首先需要檢查等高線首曲線屬性是否賦了高程值。高程信息無(wú)誤后，設(shè)置視點(diǎn)，在3DMAx 軟件中配置系統(tǒng)單位。選擇IM1nspect 模塊，用surfer軟件生成三維模型數(shù)據(jù)。云地形數(shù)據(jù)處理過(guò)程需要經(jīng)歷三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀。例如：青海黃河拉西瓦水電站的三維激光掃描數(shù)據(jù)成圖中，就是采樣點(diǎn)間距小于10cm，通過(guò)數(shù)據(jù)處理生成1∶1000 地形等高線圖。測(cè)距精度±（3+2×D）mm，將精度控制到合理的范圍當(dāng)中。甘肅省蘭州市黃土滑坡群使用的是航空攝影測(cè)量的方式，采用的是旋翼無(wú)人機(jī)攜帶3600 萬(wàn)像素，重疊度超過(guò)60%。F射影像及三維空間影像數(shù)據(jù)可以將誤差控制在10cm 以?xún)?nèi)，細(xì)節(jié)反映準(zhǔn)確，并且滿(mǎn)足了需要的清晰度。最終，生成地形圖，對(duì)房屋、樹(shù)木點(diǎn)云數(shù)據(jù)等以人工的方式進(jìn)行剔除，拼成全圖，經(jīng)處理后，即可達(dá)到1∶1000的精準(zhǔn)度。

2.2 三維空間影像技術(shù)在巖體結(jié)構(gòu)地質(zhì)編錄中的應(yīng)用

對(duì)復(fù)雜施工場(chǎng)地、高陡邊坡等，需要合理地統(tǒng)籌規(guī)劃，保持很好的精準(zhǔn)度，解決安全度不足的問(wèn)題。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)“刻畫(huà)”需要在物體的空間感中，精確到一定厚度的“帶”。識(shí)別這個(gè)“面”，分析斷層的問(wèn)題，提出地質(zhì)體的空間感。探究自身的表現(xiàn)方式，分析提取困難的問(wèn)題，不是固定在一個(gè)形式當(dāng)中，需要在合理的三維空間控制點(diǎn)上，合理地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的照片實(shí)施對(duì)比，保持信息的有效識(shí)別。結(jié)構(gòu)面幾何形態(tài)判識(shí)分析兩組陡傾和一組中等傾角的結(jié)構(gòu)面。主要使用的是“三點(diǎn)”擬合結(jié)構(gòu)面，多點(diǎn)擬合結(jié)構(gòu)面法，人工干預(yù)的半自動(dòng)結(jié)構(gòu)面識(shí)別方法，計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索識(shí)別結(jié)構(gòu)面方式來(lái)實(shí)施和進(jìn)行的。例如：錦屏I 級(jí)水電站左岸拱，就是使用三維激光掃描數(shù)據(jù)的方式，進(jìn)行錨索支護(hù)施工的有效探究。先進(jìn)行結(jié)構(gòu)面跡線空間位置獲取，還可以使用構(gòu)面產(chǎn)狀獲取方式。巖體結(jié)構(gòu)出露特征明顯，可以達(dá)到精確的信息化獲取，并且滿(mǎn)足彩色信息的合理化建設(shè)。可以在掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，分析空間多義線，方法簡(jiǎn)單實(shí)用，出露清晰，加大數(shù)據(jù)的識(shí)性。還可以使用數(shù)據(jù)照片或者是結(jié)合三維點(diǎn)的耦合匹配，獲得結(jié)構(gòu)面的識(shí)別與提取。此種方式比較適合復(fù)雜的地質(zhì)條件下使用，并且還可以應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)的方式，提升工作的效率，保持一定的精準(zhǔn)性。在當(dāng)前，可以直觀地看到，水電、公路、鐵路山區(qū)當(dāng)中都會(huì)有所涉及到，并且具備了有效的發(fā)展前景。

2.3 三維空間影像技術(shù)危巖體調(diào)查應(yīng)用

三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)測(cè)繪的應(yīng)用中，需要從崩塌、滑坡、泥石流、隧道等視角，合理地統(tǒng)籌規(guī)劃，加大基礎(chǔ)建設(shè)，保持可持續(xù)的發(fā)展路徑。在危巖體的識(shí)別與提取上，先分析空間分布位置及邊界范圍，根據(jù)危巖體幾何尺寸的量測(cè)，獲取危巖運(yùn)動(dòng)路徑的斷面形態(tài)，為防治措施選擇、選址提供依據(jù)性。由于砂巖的激光發(fā)射率高，可清晰分辨軟弱層的空間位置?？朔_盤(pán)測(cè)量的“以點(diǎn)帶面”的缺陷，擬合平面解譯結(jié)構(gòu)面，為危巖的定性提供了可靠依據(jù)?；抡{(diào)查的基本內(nèi)容是地形圖件的快速生成，滑坡裂縫發(fā)育分布特征調(diào)查，滑坡邊界及分區(qū)的確定，滑坡體積測(cè)量，滑坡不利結(jié)構(gòu)面調(diào)查，滑坡勘察圖件的快速生成。在滑坡應(yīng)急搶險(xiǎn)的實(shí)踐中，“5.12 汶川地震”中就是使用三維激光掃描技術(shù)的方式，建立了搶險(xiǎn)救災(zāi)的治理工作。整個(gè)都汶路沿線重大地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)眾多，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以獲得更多的災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，提高人員的安全程度。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)工程中得到綜合應(yīng)用，需要合理地統(tǒng)籌發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)接觸獲取物體三維空間點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)建設(shè)。在不一樣的空間位置中，需要使用不同的應(yīng)用方式，控制對(duì)應(yīng)的精確度。整合地形三維模型的建立方法，提取的巖體結(jié)構(gòu)面的平面方程，加大地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，展現(xiàn)自身先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)的不足，并且展現(xiàn)更加廣闊的發(fā)展空間。