三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測繪和工程測量中的運用研究

摘? 要：三維激光掃描技術(shù)是一種自動化的地形、地質(zhì)測量方式，近些年來發(fā)展日益成熟，在地質(zhì)測繪和工程測量當中的各個領(lǐng)域都有著比較廣泛的應(yīng)用。基于此，本文主要分析三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)測繪和工程測量中應(yīng)用的價值，分析目前地質(zhì)測繪和工程測量的發(fā)展方向，并應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)提高地形地質(zhì)測量的效率和精度。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);地質(zhì)測繪;工程測量

中圖分類號：TU990.3? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0 引言

三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)的測量方式，在精度上、操作效率上都有著非常明顯的提升，尤其是應(yīng)用在地質(zhì)測繪和工程測量當中，可以發(fā)揮非接觸測量、設(shè)站靈活、測量點間隔精、準掃描速度快的優(yōu)勢，降低地質(zhì)測繪和工程測量的時間，提高實際的測量精度，為后續(xù)的工程開展提供更加準確的數(shù)據(jù)支撐。

1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)測繪與工程測量當中的價值

三維激光掃描技術(shù)至今已經(jīng)有15年的發(fā)展歷史，隨著技術(shù)水平的不斷提高，先進儀器設(shè)備層出不窮，各行各業(yè)的人員都應(yīng)用這種技術(shù)，進行工作方式上面的升級。相對于傳統(tǒng)的，掃描技術(shù)來說，這種三維激光掃描具有以下幾方面的優(yōu)勢：

（1）掃描速度快。相對于傳統(tǒng)的激光掃描，速度可以提高700%-1200%，速度可以提升到每秒幾十萬點。這種快速的掃描作業(yè)可以盡可能縮短工作的時間，對于一些野外作業(yè)環(huán)境來說，縮短時間就意味著提高安全性、降低成本。

（2）一體化程度高。傳統(tǒng)的掃描方式主要是分體式掃描，而目前的三維激光掃描技術(shù)屬于整體、集約化掃描，不論是從掃描儀的內(nèi)置分辨器、高精度的觸摸內(nèi)置板，還是數(shù)據(jù)的存儲裝置，都被整合到了這個小體積的三維激光掃描儀器當中，便于野外工作人員的攜帶、測繪、遷移和操作。很多三維激光掃描儀可以充電，不需要額外的外部電纜，就可以進行測繪。

（3）全視角展現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)的掃描儀，目前的三維激光掃描技術(shù)是全視角的，可以對全景觀進行優(yōu)化掃描，一方面，這種全視角的掃描方式工作更加靈活，效率也更加高，突破傳統(tǒng)場景限制，達到更加理想的掃描效果。減少多層次掃描的工作需求，只用一次操作就可以達到高精度的掃描標準。另一方面，通過這種全視角的掃描工作，可以盡可能減少掃描站點安排數(shù)量，降低測繪觀測的工作量，避免不必要的失誤，或者工作人員在安放掃描架過程當中出現(xiàn)危險。

（4）掃描精度高。相對于傳統(tǒng)的測繪掃描裝置來說，三維激光掃描技術(shù)精度可以達到1mm，這個精度提高了200%。這種提升直接的結(jié)果就是測繪人員可以應(yīng)用更加準確的數(shù)據(jù)，來進行地形地質(zhì)測量與工程測量，縮短掃描點之間的間隔，使得全時段監(jiān)控以及無線測量成為可能。同時，擁有這種高精度的掃描技術(shù)，可以展現(xiàn)建筑空間結(jié)構(gòu)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層地形當中的一些內(nèi)部空間，相當于一雙精準的眼睛進入到這些結(jié)構(gòu)當中，進行無差別的圖像輸出[1]。

2 三維激光掃描技術(shù)的后期數(shù)據(jù)處理

在獲得相應(yīng)的想到數(shù)據(jù)之后，還需要通過軟件來對數(shù)據(jù)進行可控處理，而基于電腦計算機技術(shù)的處理，可以顯著提高三維激光掃描的全面性及一體化程度。

第一，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行軟件算法的改進，可以將存儲和處理的數(shù)據(jù)規(guī)模拓展到十幾億點，這種全時段的數(shù)據(jù)處理可以對更大區(qū)間內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)進行判斷，通過精準的掃描來豐富地質(zhì)測繪的功能。

第二，應(yīng)用大數(shù)據(jù)進行技術(shù)處理，可以對工程測量當中的管道碰撞、建筑信息模型、地質(zhì)地層形態(tài)、地形變化情況進行二維特征線條提取。從目前的應(yīng)用情況來看，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用在考古、文物保護、工程設(shè)計、檢測、地質(zhì)橋梁測量、建筑工程地形測繪地質(zhì)研究當中。在未來，隨著人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)還將有著更廣泛的應(yīng)用空間[2]。

3 三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 在地質(zhì)測量當中的應(yīng)用

3.1.1 邊坡安全監(jiān)測

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在邊坡地形監(jiān)測過程當中，可以對地震造成的邊坡破壞進行深度的分析，尤其是對于一些地震、滑坡、泥石流造成的二次危害，進行有效的預(yù)防。

首先，技術(shù)人員可以通過三維激光掃描儀，對于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害之后的地形變化進行測繪，尤其是對于一些不穩(wěn)定地區(qū)的破壞前兆進行把握，通過危險評估數(shù)值的獲取，來進行精準的數(shù)據(jù)分析。

其次，在獲得相關(guān)的地形數(shù)據(jù)之后，可以應(yīng)用后期處理軟件，快速的構(gòu)建一個dem模型，再連接Tim網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對于不同層次的地形結(jié)構(gòu)進行點位分析，這種軟件處理的高效化建設(shè)，可以形成一個整體的數(shù)字高程建設(shè)模型，通過坐標的實時轉(zhuǎn)換等等，對于點位數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性分析。

最后，獲得邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，可以通過平面圖的重合比較、等高線的重合比較、斷鏈層的重合比較、斷面圖的差分比較等等，對位移量進行精準的測繪。運用該種方式，技術(shù)人員可以通過加固方案設(shè)計、邊坡災(zāi)害對策以及全時段的安全監(jiān)測等等，對應(yīng)急指揮部門的救災(zāi)搶險進行指導(dǎo)。相對于傳統(tǒng)的掃描技術(shù)來說，這種邊坡安全監(jiān)測靈活性更高，測量的效率更高，直接轉(zhuǎn)化效果更好。

3.1.2 地質(zhì)露頭研究

應(yīng)用三維激光掃描儀，可以對地質(zhì)露頭的程序進行相關(guān)的探測，尤其是建立三維組團模型，對于一些淺層的地質(zhì)災(zāi)害進行有效地預(yù)防。例如在玉樹地震的過程當中，應(yīng)用這種三維掃描儀技術(shù)，就可以對二次余震進行深化研究。

同時應(yīng)用該種三維激光掃描技術(shù)，還可以對深層礦藏進行有效的分析與探測，通過物探技術(shù)形成內(nèi)置相機，獲得地下礦產(chǎn)的高清影像數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并且應(yīng)用后期處理軟件等等，通過色彩對比、明暗對比，例如marsh分析模型，可以對礦產(chǎn)的三維空間——點、線、面進行全面的信息體現(xiàn)。在礦產(chǎn)分析的過程當中，三維激光掃描儀可以實現(xiàn)非接觸、高精度、高分辨率的有效測量，盡可能減少野外工作人員接觸到一些有毒有害的物質(zhì)，提高工作的完整性以及安全程度。

3.1.3 地形測繪

相對于傳統(tǒng)的掃描地形測繪來說，三維激光掃描儀聯(lián)合后期的大數(shù)據(jù)處理軟件，僅通過幾個簡單的步驟，就可以獲得很高比例尺的地形圖。

第一，通過數(shù)據(jù)點位掃描，對各個掃描儀的站點進行數(shù)據(jù)聯(lián)動分析，設(shè)置有效的分辨率之后，就可以自動獲取點贊上傳的數(shù)據(jù)，再通過掃描把的控制，協(xié)調(diào)好地理坐標的約束關(guān)系，就可以準確獲得高比例尺的地圖。

第二，技術(shù)人員應(yīng)用大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換連接系統(tǒng)，在地理坐標上將獲得好的比例尺地圖。進行多站點掃描，再利用軟件拼接，將不同層次的地理坐標拼裝在一個地圖當中。這種簡便的拼裝方式可以形成一個統(tǒng)一的坐標系，再通過軟件的tin網(wǎng)絡(luò)連接功能，對于植被或者建筑進行有效地剔除，最終形成一個高精度的tin網(wǎng)絡(luò)。

3.1.4 地質(zhì)裂縫研究

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在地質(zhì)裂縫研究當中，可以更好地把握裂縫的深度、廣度、地質(zhì)槽的發(fā)展方向，尤其是對于周圍存在的地質(zhì)斷裂帶進行精準的分析，對未來地質(zhì)裂縫的走向進行精準的預(yù)判，方便政府部門進行轉(zhuǎn)移安置，減少地質(zhì)災(zāi)害對人們生產(chǎn)生活造成的影響。例如通過三維激光點陣掃描技術(shù)，就可以對地層情況、地質(zhì)裂縫的三維形狀進行全息記錄，在元數(shù)據(jù)處理方面，通過高清晰的照片，對云的點位差、數(shù)據(jù)多線圖進行整合分析，再通過虛擬測繪功能，應(yīng)用后期掃描處理軟件，進行高精度的三角網(wǎng)膜制作。

3.2 在工程測繪當中的應(yīng)用

3.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以通過萊卡hd8800等代表性的三維激光掃描儀器，進行平整功能測算，在已經(jīng)架設(shè)好的全息投影儀上開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集功能，獲得真實的點云坐標。

首先，技術(shù)人員在測量之前，要對周圍環(huán)境進行有效的監(jiān)察以及布控，并結(jié)合實時定位系統(tǒng)，例如GPRS、rtkey或者全站儀，來對工程的高程點線位置進行水平方向的測量，處理好不同站點之間的坐標關(guān)系。

其次，在進行外業(yè)測量的過程當中，要選擇合適的間隔，并測定好掃描的開始點，如果間隔得過大，可能就會對掃描的精度造成一定的影響，如果間隔的過小，那么采集到的點位過多，也會給后期的數(shù)據(jù)處理帶來一定的麻煩，延長采集的時間。一般情況下，如果工程體量正常，那么設(shè)置每80米一個掃描測繪點就可以保障良好的掃描效果。

3.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在外業(yè)數(shù)據(jù)生成之后，技術(shù)人員可以獲得大量的三維點率數(shù)據(jù)，當然這些數(shù)據(jù)當中會包含著一些無效信息，例如建筑工程當中的一些樹葉、風沙和車輛等等。通過內(nèi)業(yè)信息處理就可以對這些噪聲數(shù)據(jù)進行有效的過濾，構(gòu)建一個完整的點云信息網(wǎng)絡(luò)。

一方面，技術(shù)人員可以對點云數(shù)據(jù)進行拼接處理，例如利用CTK等常規(guī)的工程測量手段，對于道路、橋梁、交通、地下管道等工程進行點位描繪，再接到控制點坐標上，通過這種測量數(shù)據(jù)的綜合方式進行多站點的轉(zhuǎn)化，從而降低傳遞誤差，提高整體的測量測繪精度。

另一方面，技術(shù)人員要對有效數(shù)據(jù)進行過濾，避免三維掃描機獲得的數(shù)據(jù)受到行人、植被、水流等復(fù)雜因素的影響，產(chǎn)生更多的噪點，只有進行過濾控制，剔除一些錯誤的數(shù)據(jù)，才能夠獲得比較高精度的數(shù)據(jù)延伸圖。

除此之外，技術(shù)人員在獲得點云數(shù)據(jù)之后，還要通過三維離散點的控制分析，將獲得的不聯(lián)系的數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)，最終生成等高線。并結(jié)合建筑信息模型技術(shù)等等，在這些生成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當中插入一些具有設(shè)計樁號的道路設(shè)計中線。從而方便技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計方案，進行整體的工程因素探討，對中線斷面、間距和橫斷面寬度進行測繪分析，最終生成比較滿意的數(shù)據(jù)測量結(jié)果[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)是一種比較先進的空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，精度高、速度快、應(yīng)用方便、可操作性強，具有廣闊的發(fā)展空間。從本文的分析可知，研究三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，有利于我們分析目前工程測繪、地質(zhì)測繪當中的難點問題，提高測量的精度。因而我們要加強系統(tǒng)性研究，從問題角度促進技術(shù)的升級，不斷探討技術(shù)的優(yōu)化利用。

參考文獻

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[3] 許良梅，王友光，田朋飛.三維激光掃描技術(shù)在施工精準控制中的應(yīng)用與研究——以裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑為例[J].安徽建筑，2019，26（10）：118-119.

收稿日期：2019-11-03

作者簡介：王惟一（1988—），男，安徽無為人，本科，測繪工程師，研究方向：工程測量、地質(zhì)測繪、地籍測量等。