三維激光掃描技術在1∶1萬地質災害詳細調查中的應用
——以河北邢臺峽谷群國家地質公園為例

李東海

(河北省地礦局第九地質大隊，河北 邢臺 054000)

三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新興測繪技術，已廣泛應用于工程建設及物體三維測量等領域，具有高效率、高精度的獨特優勢。本文在介紹三維激光掃描儀工作原理的基礎上，以邢臺峽谷群地質災害調查為研究對象，以期能夠在地質災害發生前，對地質敏感區域進行預警工作。利用三維激光掃描設備能夠快速獲取現場高精度三維數據，結合三維激光處理軟件，生成相對應的地質剖面圖、局部細節尺寸等信息，為應急災害提供精準可靠的基礎數據。

1 三維激光掃描原理與方法

1.1 三維激光掃描儀基本原理

三維激光掃描儀的工作過程，實際上即一個不斷重復的數據采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點(坐標x、y、z，其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描姿態有關的儀器坐標系)所組成的點云圖來表達系統對目標物體表面的采樣結果。三維激光掃描技術是通過高速激光的掃描測量，獲取目標的點、線、面、體、空間等三維實測數據，進而進行高精度三維逆向建模，又稱實景復制技術。

1.2 數據處理方法

為了能夠得到更好的三維點云數據，需要對采集的原始數據進行處理，包括各測站點云數據拼接配準、數據去噪和坐標轉換等操作，數據拼接有多種方法，如無目標拼接、有目標拼接及采集過程實時自動處理拼接。

2 三維激光掃描儀數據采集及點云處理

2.1 項目概況

河北邢臺峽谷群國家地質公園1∶1萬地質災害詳細調查的測量工作是依據《河北邢臺峽谷群國家地質公園1∶1萬地質災害詳細調查設計書》開展工作的。測繪主要工作內容為：①1∶200剖面測量；②1∶500剖面測量；③1∶200立面測量。其中地質剖面測量和立面測量工作主要是通過三維激光掃描設備進行數據的采集和處理，從而提交相應的符合精度要求的成果數據及報告。

本項目采用天寶SX10三維激光掃描儀完成測量工作。由于三維激光掃描需要將三維激光掃描儀獨立坐標系統引入當地絕對坐標系統中，因此本項目在每個地質災害點布設圖根點1個，圖根點采用河北省衛星定位綜合服務系統(HBCORS)。

2.2 設備投入

設備投入包括：天寶R8接收機3套，天寶SX10三維激光掃描儀1套，電子手簿、計算機等硬件，以及TBC、Trimble Realworks、Office等軟件。

2.3 外業數據采集

三維激光掃描技術具有更精度高、獲取距離遠等優勢。本項目利用三維激光掃描技術采集地質點三維點云數據，結合生成的地質剖面模型進行了地質點處地質剖面和立面測量工作。根據各地質災害點的區域大小、位置等情況，規劃掃描站數和需要測量的特征點，利用天寶SX10采集點云數據和全站儀特征點數據，內業主要利用天寶TBC、TRW軟件處理點云數據，生成相應地質災害點的剖面線和立面圖等成果。

點云數據的采集分為準備工作和掃描兩個階段。準備工作主要是對現場進行踏勘，了解現場的具體環境，找出實地環境比較開闊的地方進行測站位置的選取，測站位置必須保證以最少的測站數獲取所有的目標數據。根據測站位置及每一站的掃描范圍來決定整體工作流程，每個測站利用已知控制點進行定向工作，使用SX10設計測站，掃描所需要的點云，再利用SX10全站儀功能測量一些特征點，這些特征點用來檢核點云精度。SX10三維激光掃描儀最大掃描測程可達600 m，掃描速度高達26 600點/s，點云尺寸100 m處僅14 mm,最高掃描精度為1 mm，測角精度可達到1″。

2.4 點云數據處理及分析

(1) 點云數據分析。由于地質環境周圍的植被、人工建筑物及天氣影響，點云數據存在少量系統誤差和噪聲，不能直接使用且點云數據量大，會消耗巨大的存儲空間，因此需要對點云數據進行分析，判定點云是否存在未掃描的部位，若存在缺失部分，需要進行重新掃描，如果數據存在較小的空洞，可進行補洞處理。在TBC中加載的原始三維點云如圖1所示。

(2) 點云數據去噪處理。在三維幾何模型中，特征和噪聲往往具有一些類似的幾何屬性。為了將噪聲與特征區分開來，將不連續、變化大的點云數據看作噪聲，而將連續的起伏小的點云視為特征信息。理論上想要達到的去噪效果是在去除噪聲的同時盡可能保留點云數據的特征信息，但在點云數據的實際處理過程中，不僅需要去噪，還需要對模型的表面進行重新構建，使模型表面的曲面保持連續性。本項目根據點云數據情況，采用雙邊濾波算法進行點云去噪，利用TBC導出LAS格式后導入Trimble Realworks中進行點云處理。

(3) 點云數據簡化。點云數據具有海量數據的特點，其采集原理是以所需精度為間隔進行點云數據采集，這也造成了在地質剖面上曲率較小的位置點云數據冗余的現象，因此需要對點云數據進行簡化。本項目采用曲率采樣的方式進行簡化，其主要思想為: 盡量保留曲率大的區域的點云數據，以保證點云的細節特征，利用Trimble Realworks通過減少曲率小區域的點云數據的方式來減少數據冗余。Realworks對曲率大的區域進行點云處理如圖2所示。

(4) 表面模型生成。數據導入TBC可得到點云數據，利用Trimble Realworks軟件自動分類地面、建筑物、電線桿和標志、高植被。軟件可以通過對應的算法剔除周圍的雜點，根據效果抽稀點云。在剔除植被、地物等非地貌部分點云數據的基礎上，利用Trimble Realworks基于點云數據生成三維模型，并對有問題的部分進行修改編輯。

(5) 數據成果生成。在Trimble Realworks軟件中，根據實際項目需求，生成相應位置和區域的地質剖面線和立面圖，如圖3、圖4所示。并可根據現場已有控制點，或利用SX10全站儀功能測量的特征點進行相應誤差檢核工作。Trimble Realworks數據處理軟件可以將剖面線、立面圖數據導出為CAD(DXF/DWG)、GIS(SHP)等格式的數據成果。

3 技術問題及處理情況

由于項目區域均位于山區，測量時間為初夏，山區存在很多樹木、草叢等植被，SX10外業掃描時也會把這些植被掃描進來，這就需要內業處理時剔除這些植被和草叢數據，否則會影響剖面線和立面圖等數據成果的精度。SX10后處理軟件采用Trimble TBC、Trimble Realworks軟件，該軟件具有點云自動分類功能，可以在剔除植被、雜點、噪點之后再生成相應數據成果，并進行相應的數據成果精度檢驗。

4 結 語

本項目通過利用三維激光掃描技術獲取到地質區域的高密度、高精度的三維點云數據,對處理好的三維點云進行特征提取，精確獲得整個坡體地面現狀，通過對典型區域進行處理分析，進行地質災害嚴重性的預判和應急處理。三維激光掃描技術無需事先埋設監測設備、非接觸測量、作業速度快、測量精度高，能夠及時反映地質災害隱患區域的總體形態，比較適合大型地質災害監測，具有一定的現實意義和應用價值。