TLS技術(shù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息的應(yīng)用前景

侯宇徽，宋德坤，李建宇，郭秋志

(吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院，吉林 長春 130118)

0 前 言

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受坡體內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面控制，分析邊坡巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的分布組合規(guī)律是研究邊坡巖體變形破壞機制的基礎(chǔ)。因此，準確、高效獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息，對評價邊坡的穩(wěn)定性有著重要意義。傳統(tǒng)的羅盤測量方法不僅工作效率低，而且面對高陡邊坡以及危險邊坡的時候，該方法存在很大的局限。三維激光掃描技術(shù)(TLS)作為一種新興的測繪方法，具有非接觸、快速、高精度等特點，通過向被測物體發(fā)射激光點來獲取目標對象表面真實的三維坐標信息。基于此，眾多學者開展了應(yīng)用三維激光(TLS)掃描點云數(shù)據(jù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息方面的研究，取得了豐碩的成果。

1 TLS技術(shù)獲取巖體結(jié)構(gòu)面信息的應(yīng)用現(xiàn)狀

董秀軍等[1]在介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探討了三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用，包括工程中的定位問題、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量、高陡邊坡地表節(jié)理裂隙調(diào)查和輔助地質(zhì)編錄，最后討論了該項技術(shù)的適用性和不足[1]。施星波[2]介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理及特點，提出了一種結(jié)合人工選取和計算機輔助顏色識別的方法，實現(xiàn)了單個結(jié)構(gòu)面的識別，解決了識別過程中的大地坐標與模型坐標的轉(zhuǎn)換方法、顏色識別中顏色距離閾值ΔE取值范圍的選擇等問題，采用圖像分割技術(shù)實現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的全自動識別[2]。劉昌軍等[3]對高精度激光點云數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)重構(gòu)，計算重構(gòu)的三角網(wǎng)平面方程的法向向量及產(chǎn)狀，利用模糊C平均群聚方法對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進行群聚分類。應(yīng)用IDL語言編制了基于海量激光點云數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面自動統(tǒng)計分析軟件FSS[3]。張文[4]提出了利用三維激光掃描儀采集巖體結(jié)構(gòu)信息獲取點云數(shù)據(jù)的流程及處理方法，設(shè)計了基于Polyworks、Cyclone軟件的產(chǎn)狀計算程序，研究了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的地質(zhì)編錄圖生成方法，并開發(fā)了巖體結(jié)構(gòu)信息管理系統(tǒng)[4]。朱云福[5]在海量點云數(shù)據(jù)的表面重建和掃描空洞與植被噪音濾波基礎(chǔ)上，采用區(qū)域生長法實現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面的識別，以Visual Studio C++6.0為開發(fā)環(huán)境，研制了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的巖體結(jié)構(gòu)面識別系統(tǒng)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面識別及其幾何參數(shù)統(tǒng)計的功能[5]。

萬宏華[6]通過截取空間點云數(shù)據(jù)字段對點云進行精簡，采用體素化分析和歐式距離判斷準則對點云數(shù)據(jù)進行濾波和離群點移除，然后采用改進的區(qū)域生長算法識別巖體結(jié)構(gòu)面，并擬合結(jié)構(gòu)面法向量進而計算產(chǎn)狀。以Visual Studio 2010C++為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合點云庫平臺，設(shè)計開發(fā)了巖體點云數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[6]。張小越[7]對點云數(shù)據(jù)進行拼接、去噪、坐標轉(zhuǎn)換等預(yù)處理后，編制Excel VBA宏程序，實現(xiàn)根據(jù)連續(xù)3個點的空間坐標計算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的計算，通過區(qū)域增長法進行危巖體的結(jié)構(gòu)面識別，基于Microsoft Visual C++6.0程序開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面識別和產(chǎn)狀計算全自動統(tǒng)計系統(tǒng)的研發(fā)[7]。葛云峰等[8]根據(jù)三維激光掃描點云數(shù)據(jù)，利用改進的區(qū)域生長法與解析幾何理論，實現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)面智能識別與信息提取[8]。吳澤坤等[9]首先介紹了危巖體調(diào)查的意義以及危巖落石調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取原理，分析了三維激光技術(shù)的運用原理和特點，并結(jié)合具體的實例闡述了三維激光技術(shù)在危巖體調(diào)查中的運用[9]。陳娜[10]分析了基于三維激光掃描技術(shù)提取巖體結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)勢，詳細介紹了三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取與處理流程。基于改進的Ransac算法對Cloud Compare的形狀提取插件RSD(Ransac Shape Detection)做了二次開發(fā)，將之改編成可以適用于巖體結(jié)構(gòu)面提取的插件RDD(Ransac Discontinuity Detection)，使用Concave算法描繪出了結(jié)構(gòu)面的真實邊界，從而計算出結(jié)構(gòu)面的真實面積[10]。

2 方法應(yīng)用前景分析

應(yīng)用三維激光掃描點云數(shù)據(jù)提取巖體結(jié)構(gòu)面信息可以避免傳統(tǒng)測量方法的不足，具有顯著優(yōu)勢。同時也存在一些問題，例如三維激光掃描容易受到地表植被和濕度的影響，使得點云數(shù)據(jù)受到干擾存在大量噪音；基于點云數(shù)據(jù)人工提取結(jié)構(gòu)面信息工作量仍然較大；現(xiàn)有的自動化獲取結(jié)構(gòu)面信息的方法精度不高，存在部分誤識別現(xiàn)象。如何提高點云數(shù)據(jù)精度以及開發(fā)更高效、更可靠的巖體結(jié)構(gòu)面計算機識別程序,是今后的研究方向。

3 結(jié) 論

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲取邊坡巖體點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上提取巖體結(jié)構(gòu)面信息，這種方法可以有效避免傳統(tǒng)測量方法的不足，提高工作效率。但仍然存在一些問題，在今后的工作中，應(yīng)注重提高三維激光掃描的精度以及準確快速識別巖體結(jié)構(gòu)面程序的開發(fā)。筆者相信，該方法會在未來的實際工作中發(fā)揮出更大的經(jīng)濟效益。

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