三維激光掃描技術在地質測繪和工程測量中的運用研究

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

關鍵詞：三維激光掃描技術;地質測繪;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

三維激光掃描技術相對于傳統的測量方式，在精度上、操作效率上都有著非常明顯的提升，尤其是應用在地質測繪和工程測量當中，可以發揮非接觸測量、設站靈活、測量點間隔精、準掃描速度快的優勢，降低地質測繪和工程測量的時間，提高實際的測量精度，為后續的工程開展提供更加準確的數據支撐。

1 三維激光掃描技術應用在地質測繪與工程測量當中的價值

三維激光掃描技術至今已經有15年的發展歷史，隨著技術水平的不斷提高，先進儀器設備層出不窮，各行各業的人員都應用這種技術，進行工作方式上面的升級。相對于傳統的，掃描技術來說，這種三維激光掃描具有以下幾方面的優勢：

（1）掃描速度快。相對于傳統的激光掃描，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可以盡可能縮短工作的時間，對于一些野外作業環境來說，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屬于整體、集約化掃描，不論是從掃描儀的內置分辨器、高精度的觸摸內置板，還是數據的存儲裝置，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。相對于傳統的掃描儀，目前的三維激光掃描技術是全視角的，可以對全景觀進行優化掃描，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危險。

（4）掃描精度高。相對于傳統的測繪掃描裝置來說，三維激光掃描技術精度可以達到1mm，這個精度提高了200%。這種提升直接的結果就是測繪人員可以應用更加準確的數據，來進行地形地質測量與工程測量，縮短掃描點之間的間隔，使得全時段監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，可以展現建筑空間結構地質結構、地層地形當中的一些內部空間，相當于一雙精準的眼睛進入到這些結構當中，進行無差別的圖像輸出[1]。

2 三維激光掃描技術的后期數據處理

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

第一，應用大數據技術進行軟件算法的改進，可以將存儲和處理的數據規模拓展到十幾億點，這種全時段的數據處理可以對更大區間內的掃描數據進行判斷，通過精準的掃描來豐富地質測繪的功能。

第二，應用大數據進行技術處理，可以對工程測量當中的管道碰撞、建筑信息模型、地質地層形態、地形變化情況進行二維特征線條提取。從目前的應用情況來看，三維激光掃描技術已經普遍應用在考古、文物保護、工程設計、檢測、地質橋梁測量、建筑工程地形測繪地質研究當中。在未來，隨著人工智能技術、大數據技術以及物聯網技術的發展，三維激光掃描技術還將有著更廣泛的應用空間[2]。

3 三維激光掃描技術的具體應用

3.1 在地質測量當中的應用

3.1.1 邊坡安全監測

三維激光掃描技術應用在邊坡地形監測過程當中，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，進行有效的預防。

首先，技術人員可以通過三維激光掃描儀，對于發生地質災害之后的地形變化進行測繪，尤其是對于一些不穩定地區的破壞前兆進行把握，通過危險評估數值的獲取，來進行精準的數據分析。

其次，在獲得相關的地形數據之后，可以應用后期處理軟件，快速的構建一個dem模型，再連接Tim網絡數據，對于不同層次的地形結構進行點位分析，這種軟件處理的高效化建設，可以形成一個整體的數字高程建設模型，通過坐標的實時轉換等等，對于點位數據進行系統性分析。

最后，獲得邊坡安全監測數據之后，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，技術人員可以通過加固方案設計、邊坡災害對策以及全時段的安全監測等等，對應急指揮部門的救災搶險進行指導。相對于傳統的掃描技術來說，這種邊坡安全監測靈活性更高，測量的效率更高，直接轉化效果更好。

3.1.2 地質露頭研究

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

同時應用該種三維激光掃描技術，還可以對深層礦藏進行有效的分析與探測，通過物探技術形成內置相機，獲得地下礦產的高清影像數據分析結果，并且應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，可以對礦產的三維空間——點、線、面進行全面的信息體現。在礦產分析的過程當中，三維激光掃描儀可以實現非接觸、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，提高工作的完整性以及安全程度。

3.1.3 地形測繪

相對于傳統的掃描地形測繪來說，三維激光掃描儀聯合后期的大數據處理軟件，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，通過數據點位掃描，對各個掃描儀的站點進行數據聯動分析，設置有效的分辨率之后，就可以自動獲取點贊上傳的數據，再通過掃描把的控制，協調好地理坐標的約束關系，就可以準確獲得高比例尺的地圖。

第二，技術人員應用大數據的轉換連接系統，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一的坐標系，再通過軟件的tin網絡連接功能，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網絡。

3.1.4 地質裂縫研究

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

3.2 在工程測繪當中的應用

3.2.1 外業數據采集

應用三維激光掃描技術，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，在已經架設好的全息投影儀上開展外業數據采集功能，獲得真實的點云坐標。

首先，技術人員在測量之前，要對周圍環境進行有效的監察以及布控，并結合實時定位系統，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系。

其次，在進行外業測量的過程當中，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，也會給后期的數據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 內業數據處理

在外業數據生成之后，技術人員可以獲得大量的三維點率數據，當然這些數據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。通過內業信息處理就可以對這些噪聲數據進行有效的過濾，構建一個完整的點云信息網絡。

一方面，技術人員可以對點云數據進行拼接處理，例如利用CTK等常規的工程測量手段，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，通過這種測量數據的綜合方式進行多站點的轉化，從而降低傳遞誤差，提高整體的測量測繪精度。

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

除此之外，技術人員在獲得點云數據之后，還要通過三維離散點的控制分析，將獲得的不聯系的數據進行三角網絡展現，最終生成等高線。并結合建筑信息模型技術等等，在這些生成的網絡結構當中插入一些具有設計樁號的道路設計中線。從而方便技術人員根據設計方案，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據測量結果[3]。

4 結語

綜上所述，三維激光掃描技術是一種比較先進的空間數據獲取技術，精度高、速度快、應用方便、可操作性強，具有廣闊的發展空間。從本文的分析可知，研究三維激光掃描技術的應用，有利于我們分析目前工程測繪、地質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性研究，從問題角度促進技術的升級，不斷探討技術的優化利用。

參考文獻

[1] 馬奔.基于三維激光掃描的BIM技術在地下綜合管廊中的應用[J].水利科技與經濟，2019，25（10）：84-88.

[2] 王英汀，袁長豐，陳秋汝.三維激光掃描技術在隧道相似模型表面變形應用[J].低溫建筑技術，2019，41（10）：101-104.

[3] 許良梅，王友光，田朋飛.三維激光掃描技術在施工精準控制中的應用與研究——以裝配式鋼結構建筑為例[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、地質測繪、地籍測量等。