三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用

馬漢君

（湖北君茂源評估有限公司，湖北 保康 441600）

1 三維激光掃描技術在地質測量中的重要性

三維激光掃描技術從上個世紀末開始應用于地形地質測量工作中，通過三維激光掃描技術的應用可以大大提升地形地質測量的準確性，與傳統的地形地質測量方法相比，三維激光掃描技術突破了傳統技術的缺陷，實現了更高精度的地形地質測量，三維激光掃描技術和GPS空間定位系統是地形地質測量上的兩大技術性突破。利用三維激光掃描技術可以快速獲取地形地貌的三維坐標數據，為實現三維制度提供了基礎數據[1]。相對于傳統的地形地質測量技術具有明顯的優勢：①使用三維激光掃描技術進行地形地貌測量時，掃描儀器會以網格的形式進行高精度、高密度、高速度和免棱鏡地掃描測試點，對測量位置的地形地貌數據進行全面細節性的獲取，精度高、速度快；②使用三維激光掃描技術制作的地形地貌圖精度遠遠好于傳統技術生成的圖形，同時采用傳統技術測量繪制地形地貌圖時需要工作人員進行大量的戶外測量工作，而使用三維激光掃描技術大大減少了測量人員的戶外作業任務量。并且即使是投入了大量的時間，傳統測量方式的精度遠不及三維激光掃描技術[2]。

2 三維激光掃描技術在地形地質測量應用現狀

（1）三維激光掃描硬件的革新。①掃描速度越來越快。隨著三維激光掃描硬件的不斷革新，掃描速度也由每秒幾千點不斷提升，目前最新的三維激光掃描技術可以將掃描速度提升到每秒幾十萬點甚至更高，掃描速率的提升大大縮短了數據采集時間，降低了工作量，提高了地形地質測量的工作效率，解決了地質測量需要工作人員長時間在野外進行工作的問題。②掃描器件一體化、小型化。如今三維激光掃描儀器已經由分立的儀器發展成為了一體式的儀器，不僅便于操作和攜帶，同時精度也得到了進一步的提升。③掃描角度實現了全景掃描。三維激光掃描的視場角從最早的幾十度已發展成為目前全景掃描（全景掃描），全景掃描的實現大大簡化了掃描操作，實現了一次性掃描全部測試點，大大提升了測量效率，簡化了工作量。④掃描精度不斷的提升。隨著激光掃描技術的不斷提升，三維激光掃描儀器可以實現對測試點進行微細掃描，精度達到了極大的提升。

（2）算法不斷的優化。三維激光掃描技術除了硬件設備的提升，還需要配合高效的算法，合理的算法有利于提升測試基礎數據的處理速率，目前高效的軟件算法可以實時處理幾十億的測試點的數據量。三維激光掃描硬件配套的軟件系統可以做到高效處理大數據能力，這是保障三維激光掃描儀器整體工作效率的基礎，同時也是提升三維激光掃描儀器時效性的前提。

3 三維激光掃描技術的工作流程

（1）三維激光掃描技術。根據掃描平臺的不同，通常有三種類型的三維激光掃描系統：機器安裝的三維激光掃描系統、便攜式三維激光掃描系統和地面三維激光掃描系統。地面三維激光掃描系統的工作原理是三維激光掃描發射器傳輸激光電磁波，它在物體表面的位置發生漫反射，一部分激光電磁波信號會沿著原來的路徑返回到三維激光發射器，這樣就可以獲取測試點與測試儀表之間的距離。同時，用精密時鐘控制橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。

（2）三維激光掃描技術的工作流程。三維激光掃描技術的工作涉及數據采集、數據處理、幾何重建、模型可視化、掃描結果輸出等，數據采集是三維激光掃描發射器傳輸激光電磁波，它在物體表面的位置發生漫反射，一部分激光電磁波信號會沿著原來的路徑返回到三維激光發射器，這樣就可以獲取測試點與測試儀表之間的距離。完成這些工作之后，通過相關軟件產生地形的幾何圖形和圖像數據信息，將模型的坐標或位置轉換為圖像數據，從而生成了可視化模型。這一過程是通過三維激光掃描儀、數碼相機、數據處理軟硬件件配合完成。

4 地質測量運用三維激光掃描測量技術常見問題

三維激光掃描技術在我國得到了迅速的發展和商業化，它在地質測量領域發揮了越來越重要的作用。利用三維激光掃描技術測量地形地質可以大大簡化工作，提升效率和準確性，但是在實際的工作中發現了一些問題：首先，雖然高性能的三維激光掃描儀表可以高效的掃描地形地質，獲取有效的數據，但是如果計算機性能不佳無法快速處理獲取的測試點的三維數據，此時就會儀表就是出現卡頓、發熱的問題，不僅延長了測試時間，降低了工作效率，同時也不利于三維激光掃描儀器的長期使用。其次，三維激光掃描技術很容易受到地面表面覆蓋問題的影響。目前許多研究人員都在攻克這些問題，希望可以排除地面表面覆蓋問題的影響，拓展三維激光掃描技術的應用范圍。第三，由于三維激光掃描的軟件算法直接關系到整套設備的工作效率和測量精確度，因此往往一套三維激光掃描儀表的價格取決軟件算法，這就使得一套頂尖的軟件算法價格居高不下，并且軟件算法會定期更新，每次更新軟件算法都會收取費用，這也制約了三維激光掃描技術在地形地質測量的普及。第四，三維激光掃描技術需要相關操作人員具備良好的工作技能，不僅可以較好的使用儀器儀表，同時還需要掌握軟件算法，只有這樣才可以真正將三維激光掃描技術最大化應用于實際的地形地質數據測量和處理工作中。而目前真正掌握軟件算法的技術人員少之又少，制約了三維激光掃描技術的擴大。

5 結語

將三維激光掃描系統應用于地形地質測量，實現了對地形地質更細微的測量，降低了地質測量的工作量，減少了測量人員外出測量的工作時間，提升了測量效率和準確性。隨著技術的不斷發展，三維激光掃描技術將會在地質測繪中得到更深入的應用。因此，我國地質工作者應該加強對三維激光掃描技術的研究，一方面做好掃描精度的提升，另一方面不斷優化算法，提升測量效率，降低地質測量難度和工作量。