基于3種測量技術的貴州潛龍洞探測數據對比研究

周文龍 李威++高占冬 范文超++張雙德

摘要：指出了喀斯特洞穴測量屬于一種特殊的地下空間測量。在結合貴州潛龍洞早期傳統手繪測量成果的基礎上，又分別采用基于移動終端的無紙化測量技術與三維激光掃描技術對其進行了重復測量，并對以上3種探測數據分別從時效性、數據精度與準確性、操作便捷性、數據存儲與處理等方面進行了對比研究，總結分析了各自的優缺點及最佳適用情形，為同類喀斯特洞穴測量方案提供決策依據，以有效地保證洞穴探測及后續工作的實際需求。

關鍵詞：喀斯特洞穴測量；無紙化測量；三維激光掃描技術；對比研究；貴州潛龍洞

中圖分類號：K903

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16018005

1引言

以貴州高原為中心的中國南方喀斯特區是世界上洞穴資源最豐富的地區之一，也是世界旅游洞穴開發數量最多的地區之一[1]。但貴州乃至全國喀斯特洞穴資源的綜合調查研究、探測制圖、歸類匯總、建庫等工作滯后[2]，與歐美發達國家相距甚遠?？λ固囟囱y量與制圖是喀斯特學和洞穴學的研究方法和研究成果的表達方式之一，是表現喀斯特洞穴形態和分布特征的重要工具[3]，同時也使得洞穴的空間形態計量成為了可能[4]。準確的洞穴測量一直是理解洞穴起源和導致它們當前狀態并提供工具和信息預測未來過程的基礎[5]。在試圖描述或理解發生在地底下的過程前，如何準確測量洞道、室廳和墻體形狀一直是優先考慮的問題，它們是否與洞穴的起源和形成、抑或與可能發生在里面的人類活動有關[6]。

針對洞穴內部地貌的特殊性及洞穴環境，有學者提出適合洞穴內部地貌測量的多種方法：羅盤、傾角計測量法、計算機輔助測距儀和全站儀方法、超聲波方法及激光掃描系統方法等[1]，并對以上多種方法進行了定性的比較。而目前業內主流的洞穴測量手段為基于移動終端的無紙化測量，即基于Leica Disto X310型激光測距儀的硬件改裝和基于Windows操作系統的PDA或Android手機的軟件組合方興未艾，深受探洞愛好者喜愛，系列應用也在進一步的測試完善當中[7]。隨著中長范圍距離地面激光掃描技術的出現，場景的三維模擬與可視化變為現實。利用三維激光成像掃描儀可以在幾分鐘內快速、準確地提供豐富的三維點云數據。三維激光掃描技術在文物數字化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市、地形可視化、城鄉規劃等領域有著廣泛的應用[8]。Mohammed Oludare等對近10年來采用地面激光掃描技術測量洞穴的方法與應用進展做了綜合評述[9]，Michal Gallay等總結了已公開發表的使用地面激光掃描技術測量洞穴的11例案例研究[5]，總體而言用于洞穴方面的研究案例較少，但在洞體掃描的形狀計量、地物信息記錄以及精度方面又有著較大的優越性[10，11]。另外，對于多種測量方法用于同一洞穴的數據對比研究還未見報道。因此，本文將選取貴州潛龍洞為研究樣區，通過不同時期采用的3種不同測量方法獲取的洞穴數據，對其數據精度、采集方案、工作效率、適用性等方面進行對比研究，旨在為喀斯特洞穴探測提供更為合理的優選方案，并為將來的喀斯特數據庫建設提供技術支持。

2研究區概況

貴州潛龍洞位于貴州省松桃苗族自治縣烏羅鎮黔龍村，距松桃縣城65 km，距烏羅鎮城東5 km，距梵凈山桃花源景區28 km，是梵凈山旅游環線上的精品景區（圖1）。貴州省山地資源研究所于2005年首次對該洞進行了科察，翌年聯合法國洞穴聯盟青年洞穴潛水協會組織開展了代號為“2006貴州高嶺”的探測活動，探明該洞穴總長度1481 m，縱深209 m，分上下兩層，是一座主要發育在寒武系白云巖中擁有大量碳酸鈣沉積景觀的美麗洞穴[12]，洞內石筍密度世界罕見，屬典型的南方喀斯特地質地貌奇觀。這里四季分明，氣候宜人，年均氣溫16.5 ℃，海拔1000 m左右，是典型的高山溶洞，適合避暑養生、休閑度假。潛龍洞景區于2016年10月1日正式對外開放，目前僅開發上層洞穴。在2016年貴州·綏陽舉辦的全國第二十一屆洞穴會議中評選為“中國最具開發潛力的十大洞穴”之一。

3測量方法與制圖

3.1傳統手繪測量

貴州省山地資源研究聯合法國洞穴聯盟青年洞穴潛水協會分別于2005和2006年對潛龍洞進行了首次測量，當時采用了傳統的手段進行測量，即使用手持式GPS、Suunto探洞指南針、皮尺、防水網格紙等配合繪制洞穴草圖，再運用GHtopo軟件對采集的主線與LRUDs數據進行錄入與矢量輸出，最后導入至Adobe Illustrator軟件，根據草圖信息修改洞道邊界并填充繪制出圖（圖2），該成果已公開發表于2006年出版的《中國地下行之二》洞穴考察報告中，中國的洞穴喀斯特網站上也有詳細的介紹[13]。此次探測潛龍洞總長度1481 m，縱深209 m（-204，+5），分為上下兩層，上層基本為水平洞道，發育有大量沉積景觀，尤以密集的旗狀石鐘乳形態最為壯觀；下層為兩階梯豎井深約200 m，沉積景觀較少。據當時負責探測的法國洞穴聯盟秘書長Jean Bottazzi介紹，該洞最后一個大廳的石鐘乳沉積密度有可能是世界上最密集的，極具景觀與研究價值，同時也提出要進一步加強保護。

3.2基于移動終端的無紙化測量

無紙化測量技術發源于國外，是一套完整的電子洞穴調查工具。主要原理是通過改裝后的Disto A3（一代）或Disto X310（二代）的激光測距儀與接收終端（PDA/Android智能手機）相配合來儲存和管理數據，并直接在屏幕上繪制草圖，這兩套設備之間通過無線藍牙連接。測量值幾秒內在PDA屏幕上可見，測量結果可轉換到基于個人電腦的洞穴測量應用程序并進行圖形編輯[14]。一代機搭載基于Windows操作系統為基礎開發的PocktTopo軟件，二代機問世后，以Android智能手機作為智能終端的應用程序如雨后春筍般出現，其中尤以法國探洞愛好者Marco corvi開發的Android手機應用TopoDroid備受推崇，截至2016年9月1日下載量達13900，遠超其它同行軟件[7]。相較于傳統手繪，無紙化測量存在諸多優勢：①提高精度：可多次打點并快速獲取圖形數據，實現現場定位，并且不再嚴格要求LRUDs參數，可多次打點也能更加詳細繪制特征物體輪廓；②提高效率：數據經軟件轉換直接圖形化，節約圖紙手繪的轉換時間；③對于斷面的繪制更為精確；④實現了起始點的空間定位，特別是移動手機終端的GPS功能與網絡信號同步開啟，提高了定位精度；⑤數據格式多元化，可同時兼容不同軟件平臺；⑥實時統計功能可隨時統計測量數據，包括長度、縱深與體積等。endprint

因潛龍洞一期工程開發，洞內鋪設有旅游步道，并打通部分墻體使大廳相連，洞道尾部有一人工開鑿的通道直達地表作為出口，早期的測量圖已遠不能滿足現實需求，目前也沒有繪制一張針對性的洞穴導覽圖。應潛龍洞景區邀請，工作小組于2017年4月對該洞已開發的上層洞道重新進行了無紙化測量，測量工具為三星NOTE4型手機與改裝型Disto X310激光測距儀，應用程序版本為TopoDroid 3.3.2 g，并繪制了洞穴草圖（圖3）。經軟件統計，本次上層洞穴沿旅游步道測量總長度為1248 m，縱深68 m（-22.5，+46.2），尾部人工洞道約216 m，人工開鑿通道上行直接增加了洞穴縱深與長度，無任何景觀，如何造景并與整個洞穴的協調是下一步亟需解決的問題。

3.3三維激光掃描

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或復雜物體的幾何圖形和影像數據，并由后處理軟件對采集的點云和影像數據進行處理，將數據轉換成絕對坐標系下的模型，可以輸出多種格式以滿足不同應用需要。與傳統的高精度點測量方式不同，三維激光掃描儀采用形測量方式，獲取被測量目標大量三維點。三維激光掃描儀可以深入到復雜的環境和現場進行掃描，并直接將各種大型的、復雜的、不規則實體的三維完整數據采集下來，從而快速重構出掃描物體的三維模型。

近年來，三維激光掃描技術在空間信息獲取方面迅速發展，其應用領域和范圍也在不斷擴大。自然洞穴的形態通常比人造隧道或礦道要復雜和多樣化，這種復雜性將會增加架站次數來確保盡可能完全捕獲洞穴表面點云數據并減少盲區?？朔@一問題需要適當的規劃并提前考慮站點，包括參考標靶的位置，以此來提高點云數據拼接的準確性。洞穴幾何形態的3D數字測量和建模已成為相關研究方法、管理和保護文化和地質遺產的代表[6]，一種基于地面激光掃描儀、高分辨率的數碼相機和全站儀的多傳感器的組合方法被用于現代洞穴測量中。三維激光掃描儀作為現今時效性最強的三維數據獲取工具可以劃分為不同的類型。通常情況下按照三維激光掃描儀的有效掃描距離進行分類，可分為短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長距離激光掃描儀和航空激光掃描儀[4]。本研究采用Leica P40型中距離三維激光掃描儀（表1），并搭配Cannon 70D型360度全景相機進行影像采集。

在實地掃描潛龍洞之前，工作小組結合2006年的測量資料，并先對其進行了無紙化測量，在此基礎上初步規劃并考慮好布設線路與架站位置，從洞外貫導至洞內。考慮到數據量問題，洞口外圍采用距離模式，洞內采用速度模式，洞廳沉積物密集處采用3.1 mm/10 m精度，狹窄通道與沉積物景觀稀少處采用6.1 mm/10 m或更低精度。標靶設置方面，大廳因重疊部分較多，特征點明顯，可不設標靶進行人工拼接，但狹窄洞道因遮擋需標靶引導拼接，架設標靶應考慮空間上的錯落。掃描過程分為兩塊，即點云掃描與外置相機同步拍照。潛龍洞為旅游開發洞穴，洞穴內已布設有光源，但配置的外置相機為定焦魚眼鏡頭，近處光源效果佳，遠處則暗。由于洞穴尾部為人工開挖洞道，也無任何沉積景觀未作掃描，最終共掃描71站數據，原始數據量達38.2 GB。野外數據掃描完成后，在內也利用處理軟件Cyclone進行數據拼接處理（圖4），數據量達96.3 GB，并輸出TruView網頁導覽（圖5）數據（1.61 GB）。數據總量共計136.11 GB。

4數據對比分析

4.1時效性

基于傳統手繪的2006年潛龍洞洞穴數據因洞穴旅游開發已不具備時效性，旅游步道及線路信息未能及時更新。另外，由于旅游開發打通部分墻體使大廳相連并在洞穴尾部開鑿216 m的人工洞道，這部分數據缺失。而基于移動終端的無紙化測量數據與三維掃描數據則是旅游開發后最新的測量數據，時效性較強，可以此來繪制潛龍洞洞穴導覽圖（圖5），并為第二期規劃提供詳實的數據。但2006年測量數據包含有下層洞穴數據，無紙化測量與三維掃描數據均未探測，數據完整性較好。因此，能否結合3個數據進行橋接與融合繪制，從而實現洞穴圖的時效性與完整性是值得探討的問題。

4.2數據精度與準確性

數據精度方面：基于傳統手繪的潛龍洞洞穴圖出圖比例為1∶2000；無紙化測量數據則可根據實際需要靈活調整繪圖精度與出圖比例（可達1∶100）；三維掃描數據則是根據1∶1真實比例還原，精度高。

準確性方面：基于三維激光掃描的潛龍洞點云數據最為準確，經對拼接數據檢測，誤差范圍整體控制在8

mm以內，部分洞段拼接數據存在較大誤差，最大處達10 cm，經查證后因標靶設置位置空間錯落不明顯所致，可通過人工重新拼接后解決。無紙化測量數據準確性與操作者素質存在較大關系，主線的選取與目標點的密度將直接影響數據的精度與準確性，相較于傳統手繪，因可密集打目標點大大增加了草圖的準確性。對比圖2、3、4可以發現，無紙化測量數據基本與三維激光掃描數據存在較好的對應關系，而傳統手繪數據在洞穴入口處明顯存在一定的誤差，也充分表明了無紙化測量與三維掃描在準確度方面優勢明顯。

4.3操作便捷性

傳統手繪至少需要3個人配合測量，通過讀取探洞指南針的方位及傾角儀的坡度值，在網格紙上記錄并繪制草圖，效率較低，一旦初始比例尺固定下來就不能調整，否則影響繪制精度。隨著無紙化技術的出現，傳統手繪已逐漸被取代，僅攜帶改裝型激光測距儀和一部安卓智能手機即可完成測量并實時通過藍牙傳輸至屏幕繪制草圖，不受比例尺影響，方便快捷，2個人一組即可完成測量。三維激光掃描儀器設備則最為繁重，除三維激光掃描儀本身，還需攜帶三腳架、拉桿箱、外置魚眼相機、燈光等，且操作性復雜，特別是狹窄洞道的標靶設置直接影響拼接精度，耗時較長。對比而言，基于移動終端的無紙化測量技術最為便捷，攜帶方便又能在一定程度上保證數據精度，值得推廣，但改裝型Disto X310型激光測距儀生產量極少，不易于購買，三維掃描儀更是價格昂貴。endprint

4.4數據存儲與處理

傳統手繪洞穴圖需經過防水網格紙繪制洞穴草圖，再運用GHtopo軟件對采集的主線與LRUDs數據進行錄入與矢量輸出，最后導入至Adobe Illustrator軟件，根據草圖信息修改洞道邊界并填充繪制出圖，過程較為繁瑣。無紙化測量數據結果則可直接轉為矢量數據，且TopDroid應用程序數據格式兼容性好，可滿足不同軟件平臺做后期處理，個人經驗推崇ArcGIS平臺，便于以后空間數據的管理與分析。三維激光掃描數據最為復雜，且數據存儲量超大，軟件處理上對電腦配置要求極高，基本上工作站才能運行處理，數據軟件處理技術要求高。但數據精度與準確度高，可直接從Cyclone軟件中直接提取洞穴平面圖、剖面圖和任意位置的斷面圖，對于洞穴景觀計量、科學開發與保護以及科研均有著重要的意義。

5結論與展望

（1）基于傳統手繪的洞穴測量已逐漸被基于移動終端的無紙化測量所取代，這不僅提高了洞道數據的采集效率與精度，并能有效節省人力物力。在后期的數據處理過程中，無紙化測量可直接輸出兼容多種格式與軟件平臺的矢量數據，極大地簡化了數據處理。

（2）三維激光掃描技術用于洞穴測量大大提高了數據精度與準確度，相較于傳統手繪與無紙化測量有著明顯的優勢，但其昂貴的價格、復雜的操作、海量的數據使得運行成本較高。對于初探洞穴，一般建議先采用基于移動終端的無紙化測量方案，方便快捷成本低，對于洞穴景觀價值高或旅游開發洞穴，開展三維激光掃描測量在洞穴開發與保護、三維建模、智慧旅游開發等方面具有一定的代表性與推廣性。

（3）如何將這3種不同技術采集的喀斯特洞穴數據統一到共同的地理空間數據庫平臺，以方便未來管理、查詢與挖掘分析是亟待解決的問題。

（4）對于未開發洞道的三維全景掃描，黑暗無光環境下的全景拍照是要克服的難點。

（5）喀斯特洞穴三維掃描過程中難免存在一定的盲區，特別是針對洞穴沉積景觀，如何通過基于點云模型的修復技術是未來需要探討的關鍵。

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