三维激光扫描技术在地形地质研究中的应用(一)

北京则泰盛业科技发展有限公司 孙德鸿 王占超

三维激光扫描技术在地形地质研究中的应用(一)

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一、三维激光扫描技术发展现状

随着仪器制造技术的不断进步，以及各行各业的科研及工程人员的不断实践，自世界上第一台三维激光扫描仪开发问世十多年来，三维激光扫描技术已经逐渐成为广大科研和工程技术人员全新的解决问题的手段，并逐渐取代一些传统的测绘手段，为工程、研究提供更准确的数据。

扫描仪硬件的进步主要体现在以下几个方面:

1)扫描速度从最初的几千点每秒，发展到今天的几万点每秒。速度的变化主要带来外业数据采集时间的缩短，直接提高了工作效率，并减少了在危险环境下数据采集的时间，从而使外业更安全。图1为Leica三维激光扫描仪发展历程中的扫描速度变化。

图1 Leica三维激光扫描仪发展历程中的扫描速度变化

2)扫描仪结构从原来的分体式，发展到今天的高度一体化集成。高度一体化集成主要包括扫描仪电池内置、高分辨率数码相机内置、高分辨率彩色触摸屏控制面板内置、数据存储内置。一体化让仪器携带、工作中的迁站更方便，操作也更便捷。往往不再需要携带更多的附件，仪器无需过多的外部电缆进行连接。

3)视场角从原来的几十度发展到现在接近全景的扫描。视场角的改变主要带来两方面的帮助:一方面让扫描仪的架设更灵活，并提高工作效率，如果视场角小，要达到理想的扫描结果，仪器架设的方位都会有更多的限制，而且有时需要多次扫描才能达到效果;另一方面，因为视场角的增加，带来扫描架站数量的减少，从而减少数据的后续拼接，减少后处理工作量和避免不必要的误差累积，从而提高了扫描的整体精度。

4)最高测量精度提高到±2 mm左右，扫描点间隔可以缩小到1 mm。测量精度的提高直接带来数据结果准确性的提高，使三维激光扫描仪对大型结构、建筑测量以及监测成为可能。扫描点间隔的缩小，使细微的结构也可以通过扫描表达出来，增加了仪器可用的范围。

仪器的进步，使使用者可以更方便地携带，并容易掌握仪器的相关操作，数据结果的精度也能满足越来越多领域的应用需求。

扫描数据后处理软件的进步体现在以下几个方面:

1)可处理更大的数据量。随着软件算法的改进以及计算机硬件性能的提高，目前优秀的三维扫描后处理软件可以存储和处理多达十几亿点的数据。这种性能的提升，可以使用户同时处理更大区域的数据，并进行更加精细的扫描。

2)功能更丰富，涵盖更多行业的需要。软件已经可以成熟提供从工业设备管道建模、建筑物的建模到非规则复杂形体的建模，并可以直观、准确地进行地形、形变分析等的计算，还可以提供二维特征线条的提取等功能。

3)操作简便，人性化，易于掌握。

三维激光扫描技术目前已经成功应用的领域有:① 遗产、文物保护;② 工业设计、检测，工厂改扩建及数字化管理;③ 建筑、桥梁、基础设施测绘;④地形测绘和地质研究。

在地形测绘和地质研究领域，三维激光扫描技术与传统测量手段相比，其优势体现在以下几个方面:

1)测量简单、便捷;

2)测量结果精确;

3)采集信息全面;

4)数据后处理简单;

5)可直接基于三维结果信息进行计算和分析;

6)非接触，大场景测量，效率更高，减小了测量工作对环境的依赖和局限。

二、三维激光扫描技术在地形测绘和地质研究中的作用

三维激光扫描技术为地形测绘和地质研究提供了一种新的工具和手段。最近几年，国内多家大学、科研单位、施工单位已开始尝试将三维激光扫描技术与地形测绘、地质调查、滑坡监测、地质灾害研究等相结合，探讨该技术在相关领域的实际应用，并积累了丰富的经验。下面介绍一些应用方向。

1.边坡安全监测

边坡破坏的预测以及边坡破坏后的状况把握及二次灾害的防止预防等都需要及时准确地掌握边坡体的三维信息。三维激光扫描仪可以用于边坡体灾害发生前后的地形变化测绘、二次破坏防止的预测以及边坡破坏前兆的把握和危险性评估。

通过三维激光扫描获取地形数据后，可以利用软件快速构建DEM以及TIN数据。Leica的Cyclone数据后处理软件就提供了便捷的DEM建立功能，并可实现坐标转换，将数据方便地转换到WGS-84坐标或地方坐标系。转换后的数据可以进行如下分析:①平面图的重合比较;② 等高线的重合比较;③断面图的重合比较;④断面图的差分比较;⑤直接基于三维DEM进行变化部位及位移量数据分析。

三维激光扫描仪用于边坡三维形状获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全监测等都具有其独到的方便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据可直接进行处理以得到基础信息或分析结果。

2.地质露头研究

三维激光扫描仪可以为地质露头层序地层相关的研究提供准确的数据，通过扫描可以获取露头的三维模型，为地质灾害预防、地震研究、矿藏探测等提供基础资料。

集成了内置相机的三维激光扫描仪更可以同时获取高清晰的影像数据，为后期的分析和研究提供更详实的信息，通过软件快速构建彩色点云模型以及彩色的Mesh模型。并可以直接在三维空间实现点、线、面、体等信息的完整提取，数据可以DXF格式导出到其他后续绘图软件中。

在地质露头研究中，三维激光扫描仪发挥了非接触、高精度、高分辨率测量的特点。大大减少了野外数据采集的时间，并能够获取更完整的信息。

3.基础地形测绘

在地形测绘中，通过三维激光扫描仪及后处理软件，只需要经过简单的几个步骤就可以轻松获取高比例尺的地形图。

1)扫描。首先根据现场地物形状和环境以及三维激光扫描仪的有效测程合理布设扫描仪的站点，然后在每个站点根据后续成图的需要设置合适的分辨率进行扫描。在扫描过程中可以通过在已知点设站或控制扫描标靶的方式，将每个站点与地理坐标的关系约束好。

2)数据拼接转换到地理坐标系。把多个站点扫描的数据通过软件拼接到同一的地理坐标系中，Cyclone软件支持灵活的地理坐标转换功能，可以简便地将所有站点一次放入地理坐标系中，从而统一坐标系。

3)构造TIN。通过软件的功能，进行植被或建筑物剔除，然后生成TIN，并可对TIN进行平滑或优化。

4)构建等高线图。基于TIN，给出等高线的间隔，等高线会自动被生成。

4.地质裂缝研究

通过挖掘地质探槽，可以更准确地掌握地质裂缝的信息，从而有助于相关地震断裂带的研究。

地质探槽反映了地层状况以及地质裂缝的三维形状。通过三维激光扫描技术，可以记录和获取整个探槽的完整三维信息。

1)通过三维激光扫描仪扫描和拍照获取高密度空间点云数据和高清晰的照片，扫描仪内置相机的照片可以直接映射到点云上，形成彩色点云数据。彩色点云数据可以直接进行量测，并可以通过虚拟测绘功能将特征数据导出到其他软件作进一步分析和计算。

2)基于点云数据，通过Geomagic软件制作高精度三角网模型，映射纹理照片，可以得到彩色三角网模型，用于浏览和分析。

三、应用实例

1.黄河流域沙漠监测

黄河流域部分地区气候干旱多大风，土地类型多样，地表沙物质丰富，是全国沙漠化发展最迅速、危害最严重的地区之一。多年以来沙漠迁移、沙尘暴等自然灾害给国家造成了重大的经济损失。传统的沙漠监测方式耗费大量人力物力，且精度受条件限制。三维激光扫描技术是目前国际上最先进的测量方法之一，本应用就是将三维激光扫描技术与土壤沙漠化治理有机地结合在一起，从而大大提高了工作效率与数据的准确性。

(未完待续)

(本专栏由则泰集团和本刊编辑部共同主办)