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

陳洪，周杰

(四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川成都610072)

1 概述

我國西部地區(qū)的水電開發(fā)往往在高山峽谷中進(jìn)行，邊坡陡峭，常常使地質(zhì)調(diào)查工作很難開展，需要耗費(fèi)大量的人力、物力以及時(shí)間。傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查方法不能滿足水電工程建設(shè)中效率與效益并重的需要;地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的方法應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)的產(chǎn)生是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)改革［1］。三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其直接將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)，同時(shí)可以進(jìn)行各種后處理工作(如測繪、計(jì)量、分析、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等)。將這種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)調(diào)查中，對工程建設(shè)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。筆者在對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行介紹的同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)例，論述了該項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查過程中對掃描信息的解譯過程及巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)測量的原理與方法。

2 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀是一種可以大面積、快速度、高精度、大密度取得地物的三維形態(tài)及坐標(biāo)的測量設(shè)備，內(nèi)含掃描棱鏡，不需反射棱鏡即可精確測得掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含坐標(biāo)信息、反射率信息、顏色信息等。三維激光掃描儀可分為星載、機(jī)載和地面激光掃描儀三種，地面三維激光掃描儀根據(jù)測量方式還可以細(xì)分為移動(dòng)式激光掃描儀和固定式激光掃描儀［2］。地面固定式三維激光掃描儀是目前最為常見的三維激光掃描裝置。筆者以加拿大Optech公司生產(chǎn)的ILRIS 36D地面三維激光掃描儀為討論對象，掃描數(shù)據(jù)處理使用的軟件為Polyworks9.0，該軟件有較好的兼容性，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)可以直接用于其它軟件(如AutoCAD，Catia，GoCAD等)。目前市場上激光掃描儀及其數(shù)據(jù)處理軟件種類很多，但總體來說，整個(gè)掃描及數(shù)據(jù)處理過程大致相同。

3 地面三維激光掃描儀在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

利用地面三維激光掃描儀對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行信息的記錄以及建模，相對于利用傳統(tǒng)手段進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，所獲取的資料更加科學(xué)、準(zhǔn)確、真實(shí)且具有極大的空間便利性。對于不允許攀登或觸及不到的位置進(jìn)行掃描，所獲取的數(shù)據(jù)具有多種應(yīng)用可能，更加保障了現(xiàn)場工作人員的人身安全。

3.1 結(jié)構(gòu)面的識別方法

結(jié)構(gòu)面是地質(zhì)調(diào)查的一個(gè)重要內(nèi)容，三維激光掃描技術(shù)僅獲取地質(zhì)體表面的三維數(shù)據(jù)，獲取的只是結(jié)構(gòu)面的地表出露部分。結(jié)構(gòu)面的識別必須與實(shí)際地質(zhì)情況相結(jié)合，如深溪溝水電站在進(jìn)行激光掃描采集數(shù)據(jù)后，有些結(jié)構(gòu)面特征明顯、產(chǎn)狀穩(wěn)定(圖1)，這樣的結(jié)構(gòu)面可以直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行識別;而對于特征不明顯、規(guī)模小、產(chǎn)狀有變化的結(jié)構(gòu)面(圖2)，則要參考現(xiàn)場調(diào)查、現(xiàn)場照片等來判斷結(jié)構(gòu)面性狀。

3.2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等相關(guān)測量

地面三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)處理軟件Ploy-works未直接提供結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量模塊，但可以利用該軟件中的擬合平面模塊模擬出結(jié)構(gòu)面，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等相關(guān)測量。首先將要測的產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面選中并擬合成一個(gè)平面(圖3)，便可顯示當(dāng)前結(jié)構(gòu)面的平面方程參數(shù)A=－0.400 539，B=0.639 029，C=－0.656 666(圖4)。

圖1 結(jié)構(gòu)面特征明顯

圖2 結(jié)構(gòu)面特征不明顯

圖3 選中并擬合結(jié)構(gòu)面

圖4 查看所選結(jié)構(gòu)面的平面方程參數(shù)

根據(jù)平面一般式方程Ax+By+Cz+D=0(其中A，B，C組成平面法向量坐標(biāo)n，即n={A，B，C})二次開發(fā)程序即可較準(zhǔn)確的得到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀(圖5)，該結(jié)構(gòu)面走向?yàn)镹E，傾向SE，傾角約48.95°。

圖5 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算結(jié)果

3.3 危巖體三維尺寸及角度測量

在很多水電工程中，需要對高位危巖體進(jìn)行調(diào)查。對于此類危巖體，調(diào)查人員難以靠近并接觸到危巖體進(jìn)行尺寸及角度測量(圖6)。此時(shí)，地面三維激光掃描技術(shù)發(fā)揮了重要作用，利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不用現(xiàn)場實(shí)地測量而能準(zhǔn)確真實(shí)的獲取數(shù)據(jù)，也更好的保障了調(diào)查人員的人身安全。

圖6 危巖體尺寸及角度測量

3.4 面積及體積測量

地面三維激光技術(shù)獲取到的三維數(shù)據(jù)不但可以計(jì)算危巖體的面積、體積，而且可以在工程應(yīng)用中用來計(jì)算土石方量、開挖體積變化等。在汶川大地震后于唐家山堰塞湖滑坡區(qū)每間隔一周左右對滑坡區(qū)進(jìn)行一次掃描，將兩次獲取的掃描數(shù)據(jù)結(jié)果疊加在一起進(jìn)行體積對比分析，能夠清楚、直觀的根據(jù)模型顏色變化看出滑坡體的變化情況。

另外，可以把得到的結(jié)構(gòu)面等模型導(dǎo)入到Catia軟件中，與Catia軟件配合使用。

4 結(jié)語

地面三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中有著廣泛的應(yīng)用前景，可以大大減輕地質(zhì)調(diào)查的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率和安全系數(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)測量方式，從點(diǎn)測量發(fā)展為面測量，具有測量速度快、精度高等特點(diǎn)［3］。但是，該項(xiàng)技術(shù)也存在一些不足，比如受安全激光功率局限導(dǎo)致有效掃描距離有限;潮濕的地面和綠色植被等反射率較低的物體會(huì)導(dǎo)致掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū)等，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)、完善。目前，地面三維激光掃描技術(shù)處于一個(gè)發(fā)展、更新階段，將其應(yīng)用到地質(zhì)工程領(lǐng)域并加深這方面的研究工作，使其成為未來地質(zhì)調(diào)查的有效工具具有重要的工程意義。