地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

王瑞芳 荊地

摘要：地面三維激光掃描技術(shù)屬于新型的測量手段，相較于以往的單點測量方法具有多方面的優(yōu)勢。單點測量范圍相對較小，并且測量精度有限，同時單點測量技術(shù)的覆蓋范圍小，測量效率低。而地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用則實現(xiàn)了從點上測量到面上測量的轉(zhuǎn)變，因此測量精度更高，數(shù)據(jù)獲取速度更高。該技術(shù)還可以實現(xiàn)非接觸測量，因此能夠滿足那些復(fù)雜地形的測量工作，并且可以更好地保障工作人員的人身安全。正是因為這些方面的優(yōu)勢，使得地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用十分廣泛，可以為地質(zhì)調(diào)查工作提供有力的支持，可以在很大程度上提升地質(zhì)調(diào)查工作的質(zhì)量和效率?；诖?，本文就地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用進行探究，僅供大家參考。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)調(diào)查地面三維激光掃描技術(shù)三維建模應(yīng)用

Application of Ground 3D Laser Scanning Technology in Geological Survey

WANG Ruifang ?JING Di

（Henan College of Surveying and Mapping， Zhengzhou， Henan Province，450015 China）

Abstract： The terrestrial 3D laser scanning technology is a new type of measurement method， which has many advantages compared with the previous single-point measurement methods. The single-point measurement range is relatively small and the measurement accuracy is limited. At the same time， the single-point measurement technology has a small coverage area and low measurement efficiency. The application of terrestrial 3D laser scanning technology has realized the transformation from point measurement to surface measurement， so the measurement accuracy is higher and the data acquisition speed is higher. The technology can also achieve non-contact measurement， so it can meet the measurement work of those complex terrain， and can better protect the personal safety of the staff. It is precisely because of these advantages that terrestrial 3D laser scanning technology is widely used in address surveys， which can provide strong support for geological survey work， and can greatly improve the quality and efficiency of geological survey work. Based on this， this article explores the application of terrestrial 3D laser scanning technology in geological surveys for your reference only.

Key Words： Geological survey; ground 3D laser scanning technology; 3D modeling; application

地面三維激光掃描技術(shù)主要用于測量，該技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在面上測量方面，借助該技術(shù)能夠有效提升測量效率和測量的精確度。在地質(zhì)研究中，對該技術(shù)的運用也非常普遍，對于提升地質(zhì)調(diào)查工作效率和保障地質(zhì)調(diào)查成果的準(zhǔn)確性等具有十分重要的意義，因此可以為導(dǎo)致調(diào)查工作提供有力的支持。

1地面三維激光掃描技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

地面三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢十分顯著，因此該技術(shù)在近年來得到了快速發(fā)展。以往的測量技術(shù)只能進行點對點的測量，而且借助地面三維激光掃描技術(shù)則實現(xiàn)了對面的測量，既能提升地質(zhì)調(diào)查工作的效率，也能保證地質(zhì)調(diào)查成果的精確度。該技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)、地形測繪、建筑監(jiān)測與地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域中均有十分廣泛的應(yīng)用，并且取得了十分顯著的應(yīng)用效果，能夠為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有力的支持。該技術(shù)的應(yīng)用，需要借助三維激光掃描儀，三維激光掃描儀是一個能夠大規(guī)模、速率、高精度、大密度獲取目標(biāo)地物的三維形狀和位置的檢測裝置，內(nèi)含了掃描棱鏡，不反射棱鏡就可以準(zhǔn)確測得數(shù)字化掃描點的三維位置。隨著三維激光掃描儀性能的完善，以及數(shù)據(jù)后臺處理軟件的發(fā)展，使得地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用效果更為顯著。除此之外，該技術(shù)還可以與全站儀和GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測分析，能夠幫助人們更好地規(guī)避和預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害。地面三維激光掃描技術(shù)因自身的優(yōu)勢十分顯著，因此在很多領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用，并且對該技術(shù)的市場需求也在不斷擴大。但是該技術(shù)的應(yīng)用成本相對較高，這會在很大程度上影響技術(shù)的普及率，針對這種情況，應(yīng)加強對地面三維激光掃描儀的研發(fā)，降低技術(shù)應(yīng)用成本，推動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使其更好地為地質(zhì)調(diào)查服務(wù)。AA022FC1-DF4F-4474-93B5-E8A209DC7CED

2地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

在地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)，可以全面收集地質(zhì)環(huán)境信息，并借助這些相關(guān)信息建模。相較于傳統(tǒng)測量手段，該技術(shù)的優(yōu)越性更強，不僅能夠幫助人們獲取更加全面的地質(zhì)環(huán)境信息，而且還可以更好地保障信息的準(zhǔn)確性。除此之外，借助該技術(shù)還可以實現(xiàn)非接觸式測量，因此能夠更好地應(yīng)對復(fù)雜地形與環(huán)境，能夠?qū)θ肆﹄y以觸及到的位置進行掃描，獲取這些位置的數(shù)據(jù)信息。因此該技術(shù)的應(yīng)用還可以更好地保障工作人員的人身安全。本文以水利工程建設(shè)為例，分析地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用措施。由于水利工程多建設(shè)在高山峽谷之中，因此其地形十分復(fù)雜，面對陡峭的邊坡，人力難以觸及，因此傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查手段難以滿足水電工程建設(shè)的需求，這便需要借助地面三維激光掃描技術(shù)進行地質(zhì)調(diào)查，而技術(shù)的具體應(yīng)用則應(yīng)從以下幾個方面入手。

2.1結(jié)構(gòu)面的識別

在地質(zhì)調(diào)查過程中，需要對結(jié)構(gòu)面進行調(diào)查，這是地質(zhì)調(diào)查工作的主要內(nèi)容之一，而借助地面三維激光掃描技術(shù)則可以幫助工作人員獲取地質(zhì)表面的三維數(shù)據(jù)。但是借助地質(zhì)表面三維數(shù)據(jù)只是結(jié)構(gòu)面的地表露出部分，因此數(shù)據(jù)缺乏全面性。針對這種情況，在結(jié)構(gòu)面識別過程中應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)情況。例如，在技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，如果結(jié)構(gòu)面有著明顯的特征，并且結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀穩(wěn)定，這對這種類型的結(jié)構(gòu)面，可以直接通過點云數(shù)據(jù)進行識別。而針對那些結(jié)構(gòu)面特征不明顯，并且存在產(chǎn)狀變化的結(jié)構(gòu)面，則不能直接通過點云數(shù)據(jù)進行識別，應(yīng)參照現(xiàn)場照片進行識別，同時為了提升結(jié)構(gòu)面識別的精確性，還需要參考現(xiàn)場調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣才能對結(jié)構(gòu)面進行準(zhǔn)確識別。

2.2結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等相關(guān)測量

以ILRIS 36D地面三維激光掃描儀的應(yīng)用為例，該掃描儀借助Ploy-works軟件進行數(shù)據(jù)處理，但是該軟件為直接提供結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量模塊，即便如此，也可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量。可以借助Ploy-works軟件中的擬合平面模塊進行測量，通過該模塊可以對結(jié)構(gòu)面進行模擬，在完成模擬之后便可以對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等進行測量。在實際的操作過程中，應(yīng)先將測量對象結(jié)構(gòu)面擬合成平面結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上便可以顯示出測量對象結(jié)構(gòu)面的平面方程參數(shù)。再結(jié)合平面一般方程式“Ax+By+Cz+D=0”便可以得出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。由此可見，借助地面三維激光掃描儀，可以為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量提供有力的支持，極大地提升了地質(zhì)調(diào)查的工作效率，同時也能更好地規(guī)避因人為失誤而造成的測量誤差。

2.3危巖體三維尺寸和角度測量

在水電工程建設(shè)過程中，需要對高位危巖體進行全面的調(diào)查，確保其穩(wěn)定性與安全性，避免給水電工程建設(shè)和水電工程的應(yīng)用帶來不利影響。高位危巖體存在掉落風(fēng)險，并且由于其所處位置較高，因此對測量工作而言不僅難度大，同時還會面臨著較高的風(fēng)險[1]。調(diào)查人員難以靠近高位危巖體，進而難以對其進行有效地測量。即使能夠靠近高位危巖體，但是采用傳統(tǒng)技術(shù)對其進行角度測量等，需要進行接觸測量，這會給調(diào)查人員帶來巨大的風(fēng)險。針對這種情況便需要借助地面三維激光掃描技術(shù)進行測量。該技術(shù)可以實現(xiàn)非接觸式測量，因此無需對危巖體進行現(xiàn)場實地測量，能夠更好地保障調(diào)查人員的人身安全，并且也可以保障獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性，幫助調(diào)查人員掌握危巖體的三維尺寸和角度，并且借助相關(guān)數(shù)據(jù)還可以準(zhǔn)確計算出危巖體的面積與體積，進而為高位危巖體的處理提供參考與依據(jù)。除此之外地面三維激光技術(shù)可以為水電工程建設(shè)提供有力的支持，借助該技術(shù)可以實現(xiàn)對開發(fā)體積以及土石方量等進行測量。

3案例分析

以某危巖體的測量為例，該危巖體巖層產(chǎn)狀280°～300°<4°～5°，出露地層為二疊系灰?guī)r和志留系頁巖。該危巖體由于二疊系灰?guī)r形成高陡崖，危巖體基底風(fēng)化嚴重，同時受降雨入滲與工程建設(shè)等方面的影響，使其穩(wěn)定性不斷降低。如果遇到地震或者持續(xù)性暴雨等情況，該危巖體出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象的幾率較高，因此會給附近居民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的威脅[2]，以此針對該危巖體的測量與調(diào)查具有十分重要的意義。

3.1基礎(chǔ)測量

以往，主要借助RTK定位后做點間連線的方式對災(zāi)害體進行基礎(chǔ)測量。這種方法存在一定的不足，如其連續(xù)性不強，進而會給測量精度帶來不利影響，測量結(jié)果與實際情況之間容易出現(xiàn)較大的偏差。而地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用則可以實現(xiàn)面的測量，不僅測量效率更高，而且測量精度也能得到更好的保障，借助該技術(shù)可以更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出危巖體的實際狀況。對危巖體進行掃描測量，進而獲取危巖體表面點云數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)處理便可以獲取危巖體的基礎(chǔ)幾何參數(shù)。借助該技術(shù)進行掃描測量，掌握該危巖體表面的點云信息，重要為反射率圖和真彩點云圖，借助這些信息來掌握危巖體的表面狀況，在此基礎(chǔ)上再對點云進行測量，則可以幫助調(diào)查人員獲取該危巖體的幾何參數(shù)[3]。借助地面三維激光掃描技術(shù)，實現(xiàn)了對危巖體的非接觸測量，將野外測量轉(zhuǎn)化成電腦數(shù)據(jù)分析，結(jié)合數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，既能保障測量數(shù)據(jù)的精確性和全面性，也能更好地保障調(diào)查人員的人身安全，因此相較于傳統(tǒng)的接觸式測量，該技術(shù)的作用和優(yōu)勢更加顯著。

3.2構(gòu)建DEM模型

在完成基礎(chǔ)測量之后，可以借助點云數(shù)據(jù)構(gòu)建危巖體的DEM模型。DEM模型構(gòu)建能夠?qū)y量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為測量成果，因此是技術(shù)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。借助DEM模型可以實現(xiàn)對危巖體體積的推算，同時，也能提取到等高線等方面的數(shù)據(jù)信息，因此DEM模型的構(gòu)建對于地質(zhì)調(diào)查而言具有十分重要的意義。在構(gòu)建DEM模型之前，需要對點云數(shù)據(jù)進行降噪處理，這樣做的目的在于能夠更好地保障DEM模型的精度[4]。在掃描數(shù)據(jù)中存在噪聲點，因此要將噪聲點刪除，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而刪除噪聲點則需要借助濾波處理的方式，可以手動進行處理，也可以自動處理。手動處理通常用于那些特征明顯的噪聲點刪除中，而針對其他類型的噪聲點刪除處理則需要借助自動處理的方式。在完成噪聲點刪除處理之后便可以直接生成危巖體的DEM模型，借助該模型，能夠直接體現(xiàn)出危巖體表面的結(jié)構(gòu)特征，如其表面存在的節(jié)理裂隙等。AA022FC1-DF4F-4474-93B5-E8A209DC7CED

3.3提取等高線

針對高位危巖體的測量，傳統(tǒng)方法的應(yīng)用不僅會給調(diào)查人員帶來極大的安全風(fēng)險，而且測量精度也難以保證，很容易出現(xiàn)等高線重疊的現(xiàn)象[5]。而借助三維激光掃描技術(shù)則可以有效規(guī)避此類問題，可以更好地保障測量的精確性。三維本身便具有立體屬性，借助該技術(shù)構(gòu)建DEM模型便可直接生成等高線，因此運用該技術(shù)提取等高線十分便捷，同時借助三維等高線還能夠更好地展現(xiàn)出地形的起伏狀況，可以有效規(guī)避等高線重疊問題的發(fā)生。

3.4體積推算

傳統(tǒng)的測量技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精確性不足，因此以這些數(shù)據(jù)推算出的危巖體的體積也必然缺乏精確性，容易出現(xiàn)較大的誤差。而借助三維激光掃描技術(shù)，可以根據(jù)DEM模型的分析來獲取危巖體的體積參數(shù)[6]。由于該危巖體之前發(fā)生過小規(guī)模的崩塌，以此該危巖體依然存在著加到的安全隱患，需要借助三維激光掃描技術(shù)準(zhǔn)確進行體積推算，準(zhǔn)確判斷存在崩塌隱患的體積，進而為安全防范措施的制定提供參考依據(jù)。除此之外，借助該技術(shù)還可以實現(xiàn)對已崩塌體積的推算，可以在DEM模型基礎(chǔ)上虛擬崩塌發(fā)生之前的危巖體外表面，然后測算出危巖體總體積，然后再減去目前危巖體體積便可推算出崩塌體積[7]。

4結(jié)語

地面是哪位激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，能夠為地質(zhì)調(diào)查工作提供有力的支持，不僅有助于提升地質(zhì)調(diào)查工作的質(zhì)量和效率，而且還可以更好地保障調(diào)查工作的安全性。因此要充分認識到該技術(shù)的優(yōu)勢和作用，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查工作的實際需求加強技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻

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[2]何楓，廖曉暉，胡永健，等.三維激光掃描技術(shù)在橋梁墩柱豎直度測量中的應(yīng)用[J].交通世界，2021（31）：59-61，64.

[3]郝如意.基于三維激光掃描技術(shù)的轉(zhuǎn)體橋球鉸體系安裝精度檢測方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2021.

[4]苑壯.基于無人機三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)巖移觀測研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2020.

[5]邊洋洋，裕凱.巖土工程勘察中的水文地質(zhì)問題研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（19）：38-40.

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[7]李東海.三維激光掃描技術(shù)在1∶1萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查中的應(yīng)用——以河北邢臺峽谷群國家地質(zhì)公園為例[J].測繪通報，2019（7）：160-162.AA022FC1-DF4F-4474-93B5-E8A209DC7CED