基于地質(zhì)測(cè)繪的三維激光掃描技術(shù)分析

文志波，陳 偉

（江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 南昌 330000）

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)地質(zhì)勘查作業(yè)領(lǐng)域的熱門(mén)研究話(huà)題，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪工作，可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與時(shí)效性?？傊?，相比常規(guī)的地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)，提出的技術(shù)徹底打破了傳統(tǒng)技術(shù)組織工作的缺陷，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)獲取信息的高精度處理。例如，使用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)查區(qū)域的地形、地貌勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，掃描儀器可以結(jié)合測(cè)點(diǎn)細(xì)節(jié)，進(jìn)行地質(zhì)信息的獲取，并且數(shù)據(jù)的掃描速度已超出原有技術(shù)的預(yù)設(shè)速度，最快可達(dá)到每秒數(shù)萬(wàn)次?；诖隧?xiàng)優(yōu)勢(shì)，相關(guān)地區(qū)的地質(zhì)測(cè)繪工作效率越來(lái)越高。與此同時(shí)，在應(yīng)用激光技術(shù)時(shí)，與其匹配的硬件設(shè)備也同步更新，此種發(fā)展趨勢(shì)在真正意義上做到了為地質(zhì)科研人員的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供支撐。截至目前，相關(guān)此項(xiàng)技術(shù)的研究已被廣泛應(yīng)用到礦山開(kāi)采、醫(yī)療診斷領(lǐng)域中，但將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)測(cè)繪工作中的研究仍處于空白狀態(tài)。主要是由于技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，前端會(huì)生成大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)測(cè)繪方法無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)高效率地處理此類(lèi)數(shù)據(jù)，使得地質(zhì)勘查單位的地質(zhì)測(cè)繪工作長(zhǎng)期處于一種停滯狀態(tài)。為了突破傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)其的束縛與限制，本文將對(duì)基于地質(zhì)測(cè)繪的三維激光掃描技術(shù)展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究[1]。

1 基于地質(zhì)測(cè)繪的三維激光掃描技術(shù)

1.1 基于地質(zhì)測(cè)繪的三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

為了確保在地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的有效性，可在進(jìn)行掃描工作前，對(duì)待測(cè)繪的地質(zhì)坐標(biāo)進(jìn)行三維轉(zhuǎn)換。通常情況下，掃描設(shè)備自身具有一套完善的坐標(biāo)體系，并默認(rèn)在執(zhí)行地質(zhì)掃描時(shí)，原點(diǎn)坐標(biāo)表示為{0，0，0}。但將三維激光掃描設(shè)備應(yīng)用到地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中，便屬于將測(cè)繪結(jié)果置于GIS內(nèi)，因此，有必要在掃描前，進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，以此確保掃描結(jié)果與地質(zhì)結(jié)果具有一定適配性。例如，在露天地質(zhì)測(cè)繪過(guò)程中，需要確定掃描過(guò)程中全站儀在空間內(nèi)的位置，在此基礎(chǔ)上，將儀器與GPS定位設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。開(kāi)啟設(shè)備后，需要先進(jìn)行地質(zhì)目標(biāo)的獲?。ㄍǔＧ闆r下，對(duì)應(yīng)目標(biāo)為5～8個(gè)），在確定目標(biāo)后，再使用三維激光設(shè)備對(duì)目標(biāo)周?chē)刭|(zhì)進(jìn)行大規(guī)模掃描。此時(shí)，前端獲取的數(shù)據(jù)不僅包括激光掃描數(shù)據(jù)，同時(shí)也涵蓋一定數(shù)量的目標(biāo)數(shù)據(jù)，要滿(mǎn)足地質(zhì)測(cè)繪需求，應(yīng)將前端現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)匹配。為此，基于坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換法，進(jìn)行數(shù)據(jù)矩陣的轉(zhuǎn)換，此過(guò)程可用下述計(jì)算公式表示：

公式（1）中：1X、1Y與1Z分別表示為轉(zhuǎn)換后三維坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)點(diǎn)，其中X與Y在空間中對(duì)應(yīng)正北方向與正東方向；X0、Y0與分別表示為三維激光掃描設(shè)備在進(jìn)行測(cè)繪地質(zhì)掃描過(guò)程中，自身的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)；s表示為對(duì)應(yīng)的測(cè)繪比例，也可將其認(rèn)定為空間掃描放大系數(shù)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)坐標(biāo)體系量綱呈現(xiàn)對(duì)等狀態(tài)時(shí)，此時(shí)可定義s=1.0；xW、yW與zW分別表示為坐標(biāo)點(diǎn)在空間中的平移長(zhǎng)度；R表示為空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；1a、2a與3a分別表示為掃描測(cè)繪點(diǎn)，通常情況下為最少3.0個(gè)測(cè)繪點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況，可適當(dāng)增加測(cè)點(diǎn)。

在完成對(duì)空間點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換后，結(jié)合GPS-RTK技術(shù)，進(jìn)行特征點(diǎn)放大點(diǎn)坐標(biāo)的獲取，并在區(qū)域衛(wèi)星條件允許的前提下，對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行衛(wèi)星坐標(biāo)校正（當(dāng)GPS接收點(diǎn)測(cè)量可精確到具體位置或受到3個(gè)以上衛(wèi)星的同步定位時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)的衛(wèi)星條件符合標(biāo)準(zhǔn)）。按照上述計(jì)算公式（1）進(jìn)行所有測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的三維轉(zhuǎn)換，將完成轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)導(dǎo)入地質(zhì)測(cè)繪坐標(biāo)體系內(nèi)，以此完成本章的研究。

1.2 三維地質(zhì)激光掃描數(shù)據(jù)收集

在完成上述工作后，進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取，在此過(guò)程中，為了確保獲取的數(shù)據(jù)具有較高的通視條件，可在掃描過(guò)程中，在待測(cè)繪的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)增設(shè)3個(gè)通視范圍在90.0°～120.0°的觀測(cè)樁。在觀測(cè)樁上架設(shè)掃描設(shè)備，將此設(shè)備與終端GPS設(shè)備建立通信聯(lián)系。

考慮到收集的激光掃描數(shù)據(jù)需要被導(dǎo)入一個(gè)統(tǒng)一的維度，因此，需要在此過(guò)程中確保觀測(cè)樁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，使用在其上端集成的定向標(biāo)志進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)參數(shù)的整平，整平的參數(shù)需要涵蓋激光掃描密度與激光有效掃描范圍等，通過(guò)此種方式，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)初期地質(zhì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的收集。

1.3 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配

上文收集的激光掃描數(shù)據(jù)在地質(zhì)測(cè)繪空間內(nèi)屬于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此種數(shù)據(jù)是掃描設(shè)備對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)掃描后形成的單個(gè)掃描點(diǎn)集合，對(duì)應(yīng)的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)均含有三維坐標(biāo)軸，也均可以作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層物理性質(zhì)的評(píng)估依據(jù)。但僅根據(jù)此部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果的描述，會(huì)使描述結(jié)果受到點(diǎn)坐標(biāo)光照強(qiáng)度與反射顏色的影響，甚至?xí)捎谟?jì)算機(jī)成像導(dǎo)致被測(cè)物體存在分辨不清的問(wèn)題。因此，需要對(duì)收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪三維空間匹配。通常情況下，此過(guò)程中需要輔助使用計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行，具體操作步驟如下。

第一步為“編輯”點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合，此操作步驟的目的是消除數(shù)據(jù)中的顯著異常差值，或裁剪部分與地質(zhì)測(cè)繪區(qū)域建模無(wú)關(guān)的冗余數(shù)據(jù)。第二步為“配準(zhǔn)后拼接”，在不同觀測(cè)樁上尋找收集數(shù)據(jù)集合中的公共坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)公共點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間位置，進(jìn)行地質(zhì)測(cè)繪中心點(diǎn)的定位。在完成對(duì)中心點(diǎn)的確定后，在數(shù)據(jù)集合中刪除重復(fù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保集成所有數(shù)據(jù)后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合可以成為一個(gè)整體。同時(shí)，也可以結(jié)合觀測(cè)樁的測(cè)繪方向，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)，確保所有數(shù)據(jù)在一個(gè)統(tǒng)一直角坐標(biāo)體系內(nèi)。第三步為“建模”，將所有坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與測(cè)繪地質(zhì)空間內(nèi)的物體進(jìn)行對(duì)接，構(gòu)建一個(gè)三維掃描模型。模型中不僅包含地質(zhì)信息，同時(shí)也包含實(shí)體信息。在此基礎(chǔ)上，將所有信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)的集中導(dǎo)入，以此完成三維激光掃描技術(shù)的分析。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

選擇將某礦山工程建設(shè)項(xiàng)目作為依托，針對(duì)該項(xiàng)目的礦山地質(zhì)勘察工作，引入本文提出的基于地質(zhì)測(cè)繪的三維激光掃描技術(shù)，一方面為了驗(yàn)證該技術(shù)的可行性，另一方面為了驗(yàn)證該技術(shù)的掃描效果。在具體作業(yè)過(guò)程中，利用三維激光掃描儀及高精度定位裝置對(duì)其地質(zhì)條件進(jìn)行快速測(cè)量，在勘察區(qū)域設(shè)置4個(gè)測(cè)量站，并保證每天勘察過(guò)程中的外業(yè)工作時(shí)間控制在2小時(shí)左右。在該研究區(qū)域當(dāng)中，設(shè)置5個(gè)不同的測(cè)點(diǎn)，并通過(guò)高精度定位裝置對(duì)五個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并記錄如表1所示。

表1 研究區(qū)域五個(gè)測(cè)點(diǎn)定位坐標(biāo)

表1中X表示為測(cè)點(diǎn)水平方向坐標(biāo)；Y表示為測(cè)點(diǎn)豎直方向坐標(biāo)；Z表示為測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)。在表1研究區(qū)域五個(gè)測(cè)點(diǎn)定位坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用本文掃描技術(shù)對(duì)該區(qū)進(jìn)行掃描，并將上述五個(gè)測(cè)點(diǎn)在掃描圖像當(dāng)中標(biāo)記。比較五個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)方向上的差異量，差異量表示為測(cè)點(diǎn)實(shí)際定位坐標(biāo)與掃描生成的圖像之間的誤差。差異量的計(jì)算公式為：差異量=測(cè)點(diǎn)實(shí)際定位坐標(biāo)-生成掃描圖像上測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。將計(jì)算結(jié)果記錄，并繪制成圖1所示。

圖1 三維激光掃描結(jié)果差異量變化圖

圖1中x表示為水平方向測(cè)點(diǎn)差異量；y表示為豎直方向測(cè)點(diǎn)差異量；z表示為空間方向測(cè)點(diǎn)差異量。從圖1得出的差異量變化結(jié)果可以看出，最小差異量出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)V，數(shù)值為0.26mm，最大差異量出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)III，數(shù)值為2.67mm，掃描后生成圖像中各個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)方向上產(chǎn)生的差異量均未超過(guò)3.0mm，具有較高的掃描精度。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，本文基于地質(zhì)測(cè)繪提出的三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用到真實(shí)的地質(zhì)勘察工作當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被勘察區(qū)域各項(xiàng)勘察信息的精準(zhǔn)掃描，同時(shí)也進(jìn)一步證明了地質(zhì)測(cè)繪在礦山地質(zhì)勘察掃描當(dāng)中的可行性，為掃描技術(shù)的合理實(shí)施提供更加有利的基礎(chǔ)條件[2-4]。

3 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，具有較強(qiáng)的靈活性與較高的準(zhǔn)確性，但相關(guān)方面的研究大多局限在理論階段，為了實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，本文開(kāi)展了基于地質(zhì)測(cè)繪的三維激光掃描技術(shù)研究，并在完成研究后，通過(guò)實(shí)例應(yīng)用的方式，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的功能進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明三維激光掃描技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性?？傊疚拇舜蔚难芯?，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)測(cè)繪工作的突破，為地質(zhì)勘探、礦山找礦等工作的實(shí)施，給予了足夠的技術(shù)支撐。但要真正將此項(xiàng)技術(shù)在市場(chǎng)內(nèi)推廣，還需要加大對(duì)掃描過(guò)程中影響因素的綜合判斷與分析，只有解決了掃描過(guò)程中對(duì)其行為造成負(fù)面干預(yù)的因素，才能確保掃描結(jié)果具有更高的成像價(jià)值。