三維建模技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用

楊長金

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550005）

1 關(guān)于三維建模技術(shù)的相關(guān)概述

借助正確的模型來，來對事物進(jìn)行描述并對其各種屬性進(jìn)行展現(xiàn)，是目前對事物自身發(fā)展于運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行探索研究的重要方法和手段。不僅是在科學(xué)領(lǐng)域還是在應(yīng)用領(lǐng)域，針對性地進(jìn)行三維建模研究，都是一個逐漸興起的新興領(lǐng)域，針對現(xiàn)實世界進(jìn)行模擬建模，則是依照不同研究重點和目標(biāo)，基于數(shù)字空間，來再現(xiàn)事物形狀以及材質(zhì)和運(yùn)動屬性等。伴隨現(xiàn)代數(shù)字化儀器與設(shè)備的快速發(fā)展與普及應(yīng)用三維建模技術(shù)也獲得了很大發(fā)展，逐步改變了發(fā)展初級階段費(fèi)時費(fèi)力手動幾何建模的不足，發(fā)展到基于計算機(jī)技術(shù)，三維掃描儀以及繪制（IBMR）和基于圖像建模等各種方法內(nèi)在關(guān)聯(lián)的三維建模技術(shù)手段。建模對象也發(fā)生了很大改變，打破了過去簡單的幾何體建模，逐漸發(fā)展至人臉，肢體以及發(fā)絲等建模，還可以進(jìn)行流體模擬，目前在各個領(lǐng)域當(dāng)中，三維建模技術(shù)應(yīng)用越來越普遍，尤其是在地質(zhì)災(zāi)害勘查工作當(dāng)中，三維建模技術(shù)具有的優(yōu)勢與作用更加凸顯。基于此，下文結(jié)合實踐，主要探討分析地質(zhì)災(zāi)害勘查當(dāng)中三維建模技術(shù)的應(yīng)用。

2 三維信息獲取

在獲取模型數(shù)據(jù)過程中，要對模型物體外觀數(shù)據(jù)進(jìn)行獲，掌握其長度以及深度等各種信息數(shù)據(jù)，依照研究領(lǐng)域的不同以及不同需求，獲取的方法和類型也存在非常大的不同，所以運(yùn)用的設(shè)備也存在很大不同，數(shù)據(jù)建模過程更有差異性。如針對海底地形開展三維建模，難以通過常規(guī)手段來對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，應(yīng)當(dāng)利用衛(wèi)星海洋地形和聲納等手段對相關(guān)信息進(jìn)行獲取，有研究者認(rèn)為，水下地形三維數(shù)據(jù)獲取過程當(dāng)中，生那照相機(jī)系統(tǒng)，可以對水下地形以及環(huán)境模型實時的獲取。

測量被測物體外觀尺寸，從整體層面來看有接觸和非接觸測量的區(qū)別。對于接觸式測量而言，主要涉及運(yùn)用卷尺這種傳統(tǒng)手段開展測量工作，同時也可運(yùn)用測量機(jī)（CMM）進(jìn)行測量，其測量精度很高，能夠達(dá)到20 微米的水平，在機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中這種測量方法也是應(yīng)用最為普遍的方法之一。但是接觸式測量效率非常低，而且存在很大的誤差。CMM測量機(jī)雖然有著較高的測量精度，然而這一系統(tǒng)卻屬于非移動系統(tǒng)，在一個平臺上固定安裝，因此在被測物體上有著很大的限制性[2]。

隨著現(xiàn)代計算機(jī)圖形技術(shù)以及聲學(xué)、視覺光學(xué)技術(shù)的普及應(yīng)用，相關(guān)設(shè)備也獲得了很大的發(fā)展，非接觸測量技術(shù)也有了巨大提升，使模型獲取手段更加豐富。如三維激光掃描技術(shù)就是一種重要的非接觸測量方法，同時還有全站儀其精度都非常的高，另外還有近景攝影測量系統(tǒng)達(dá)到1:10萬的精度，另外還有結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。

3 控制測量

在此次項目當(dāng)中，控制測量是最基礎(chǔ)的工作，前期階段應(yīng)當(dāng)對測區(qū)信息資料展開全面的分析和研究，有和掌握分布的控制點測區(qū)覆蓋的水準(zhǔn)點和國家等級高程點，通過實地踏勘，了解和掌握其是否可用，復(fù)核坐標(biāo)系統(tǒng)測量的成果，保證正確性的測量起算數(shù)據(jù)，基于控制點前提下，并依照規(guī)范要求對圖根點合理布，以確保后期階段更好地監(jiān)測地形變化與測圖需要。

（1）平面、高程控制測量。依照項目實際，對測區(qū)周圍c級GPS控制點進(jìn)行外業(yè)收集，對整個測區(qū)位置覆蓋，僅僅需要對圖根級控制進(jìn)行布設(shè)，運(yùn)用獲取的控制點，借助中海達(dá)RTK對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并被有關(guān)參數(shù)求解，依照需求對圖跟控制點合理布設(shè)。

同時進(jìn)行高程控制及平面控制等測量工作，將獲取的控制點正常高數(shù)據(jù)以及通過實際測量獲取的大地高同名點數(shù)據(jù)，運(yùn)用GPS 進(jìn)行高層擬合，來有效處理高程數(shù)據(jù)。

3.進(jìn)行單因子試驗。（1）固液比對葛根素含量的影響：提取溫度28°C，提取時間16h，酵母質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%；（2）提取時間對葛根素含量的影響：固液比0.143，提取溫度28°C，酵母質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%；(3)提取溫度對葛根素含量的影響：固液比0.143，提取時間16h，酵母質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%；(4)釀酒酵母質(zhì)量百分含量對葛根素含量的影響：固液比0.143，提取時間16h，提取溫度28°C。

（2）圖根控制測量。基于控制測量前提下布設(shè)圖根測量，采用GPS—RTK 測量圖根點密度，每幅設(shè)置1～2 個控制點，運(yùn)用埋石以及鋼釘作為臨時性的標(biāo)志，并進(jìn)行T01、T02 標(biāo)號，具體的技術(shù)要求參見表1。

4 三維激光掃描測量

三維激光掃描技術(shù)作為一種先進(jìn)的測量技術(shù)手段，又有實景復(fù)制技術(shù)之稱，該項技術(shù)是GPS 技術(shù)之后測繪領(lǐng)域新的技術(shù)革命，該項技術(shù)打破了單點測量的方法，具有非常高的應(yīng)用效率，而且具有非常高的精度，測量過程當(dāng)中不必于物體接觸，利用此項技術(shù)可以對物體表面三維點云數(shù)據(jù)開展掃描測量，所以通過此項技術(shù)可以獲得具有較高分辨率，且精度較高的數(shù)字地形模型。在地質(zhì)環(huán)境勘查過程當(dāng)中以及治理地質(zhì)環(huán)境過程當(dāng)中，三維激光掃描技術(shù)有著非常普遍的應(yīng)用，此項技術(shù)的應(yīng)用不僅使相關(guān)工程效率得到大幅提升，而且還能精準(zhǔn)的測量崩塌危巖體，使項目運(yùn)行過程當(dāng)中成本投入以及人員投入大幅降低，極大地增強(qiáng)了項目利潤[3]。

表1 GPS- RTK 圖根控制點測量技術(shù)要求

4.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

地形測量過程中，應(yīng)當(dāng)將測區(qū)的地貌地形充分反映，通過測繪技術(shù)應(yīng)用，如航空攝影測量技術(shù)，主要應(yīng)用于測區(qū)為山地的地形類別進(jìn)行測量。外業(yè)實測通常運(yùn)用于地勢平坦測區(qū)面積較小的測量。伴隨測繪技術(shù)的高速發(fā)展，特別是平板電子測繪系統(tǒng)快速推進(jìn)，小區(qū)域測繪工作開展過程中，能夠進(jìn)行內(nèi)外一體化作業(yè)，有問題出現(xiàn)時，采取有效措施及時改正，使作業(yè)效率大幅提升，這是今后地形測量重要的發(fā)展趨勢。此次采集外業(yè)數(shù)據(jù)過程當(dāng)中，主要運(yùn)用GPS-RTK 與三維激光掃描技術(shù)充分結(jié)合，來采集野外數(shù)據(jù)，地形地貌特征線通過外業(yè)精確地進(jìn)行采集，并記錄好草圖，更好的進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯。運(yùn)用RI EGL VZ-1000 型三維激光掃描儀開展掃描工作，這種設(shè)備主要運(yùn)用實時全波形數(shù)字處理技以及回波技術(shù)，每秒鐘纖細(xì)激光束發(fā)射多達(dá)300000 點，角分辨率非常的高，約有1400m 有效測程。坐標(biāo)經(jīng)三維激光掃描儀進(jìn)行掃描的，應(yīng)當(dāng)在實際坐標(biāo)體系當(dāng)中進(jìn)行歸算，主要運(yùn)用的方法包括，標(biāo)靶擬合法以及后視定向法。

此工程測量過程當(dāng)中，根據(jù)需要對兩種方法合理選擇。如第一種方法，運(yùn)用三維激光掃描儀測量過程當(dāng)中，坐標(biāo)應(yīng)當(dāng)選擇全站儀和標(biāo)靶坐標(biāo)測量相配合，具體操作過程為：

（1）將三維掃描儀器任選一處進(jìn)行架設(shè)，同時對三個以上標(biāo)靶進(jìn)行布設(shè)，為了確保其精度，相距5m的三維掃描儀器設(shè)置標(biāo)把位置。

（2）標(biāo)靶坐標(biāo)運(yùn)用GPS RTK 開展測量，并發(fā)揮三維掃描儀，對地形點坐標(biāo)進(jìn)行掃描，并精確掃描標(biāo)靶坐標(biāo)，使其精確坐標(biāo)，準(zhǔn)確獲取。并通過標(biāo)靶擬合手段，在坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換三維激光掃描儀器的掃描坐標(biāo)，通過專業(yè)軟件去除點云數(shù)據(jù)當(dāng)中各種多余點云，經(jīng)相應(yīng)處理之后，制作點云數(shù)據(jù)圖。數(shù)據(jù)將三維激光掃描儀進(jìn)行獲取時，要確保測站測量范圍共用部分充足性，確保轉(zhuǎn)換之后的坐標(biāo)能夠檢核測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)正確性。

4.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.2.1 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

后期數(shù)據(jù)處理過程當(dāng)中運(yùn)用三維激光掃描儀RIGEL 專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件RiScan PRO 來處理相關(guān)數(shù)據(jù)，此次共進(jìn)行730 站掃描儀測量架設(shè)，424 個掃描反射片，拼接數(shù)據(jù)精度過程中，主要運(yùn)用256 個，誤差誤差滿足設(shè)計要求。

（1）在軟件當(dāng)中導(dǎo)入RTK 獲取的靶片坐標(biāo)，通過標(biāo)靶擬合手段，轉(zhuǎn)換三維激光掃描儀坐標(biāo)，使其成為工程坐標(biāo)系。

（2）點云數(shù)據(jù)當(dāng)中多余點云通過專業(yè)軟件進(jìn)行去除，并經(jīng)過相應(yīng)處理，能夠有效地處理點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

（3）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD Civil 3D 軟件，并構(gòu)建曲面模型，運(yùn)用PENZ(逗號分隔)軟件格式自動進(jìn)行模型生成，并進(jìn)行相應(yīng)處理，完成處理之后對于高程點以及等高線進(jìn)行提取。

4.2.2 地形圖編輯處理

按照圖示要求，合理的取舍地貌、地物不同要素表示方法，保證成果的通用性，一致性以及精準(zhǔn)性，處理編輯圖形過程中，運(yùn)用南方大比例尺地形圖編輯軟件開展編輯之后進(jìn)行成圖。

5 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

控制成圖質(zhì)量，認(rèn)真遵循一級驗收，二級檢查制度，項目部門對檢查工作負(fù)責(zé)，作業(yè)組開展自檢以及互檢，同時加強(qiáng)院級檢查，達(dá)到100%的詳查比例，質(zhì)檢科對最終檢查負(fù)責(zé)，各項檢查工作的開展都有專職人員來完成，保證檢查質(zhì)量，認(rèn)真做好驗收工作，依照GB／T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》規(guī)定檢查驗收相關(guān)內(nèi)容。

6 作業(yè)中應(yīng)注意的事項

在實際作業(yè)過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)充分重視以下幾點：

（1）外業(yè)GPS 在應(yīng)用過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)和水面強(qiáng)電磁輻射區(qū)域相遠(yuǎn)離，對GPS 接收機(jī)實際接收狀況實時的進(jìn)行觀察，以免由于人為因素造成不利影響。

（2）在對中偏差GPS—RTK 基準(zhǔn)站應(yīng)當(dāng)控制在3mm 以下，解算參數(shù)過程中，檢查高程殘差與最大平面呈差應(yīng)當(dāng)在5cm 以下，基準(zhǔn)站和流動站應(yīng)當(dāng)小于7km 的距離。平面點位較差以及測前比測高程較差在3．5cm 的最大值，高程較差與測后比測平面點位應(yīng)當(dāng)在3.1cm 的最大值。

（3）編輯內(nèi)業(yè)地形圖，在相關(guān)圖示規(guī)范要求下，科學(xué)合理的處理相關(guān)數(shù)據(jù)，無法判別等高線坡向時，必須要對示坡線進(jìn)行加繪，有實物在地面上以及地類界線狀符號重合重合時，可以不必加繪，沒有實物存在于地面上的現(xiàn)線狀符號重合過程中，進(jìn)行0．2mm地類界移位繪制。

（4）由于外界條件因素對三維激光外業(yè)數(shù)據(jù)測量的影響，如存在噪聲非常大，實際作業(yè)過程中，必須要根據(jù)相關(guān)要求，科學(xué)合理的處理數(shù)據(jù)，拼接各測站數(shù)據(jù)過程中，將各個測站冗余數(shù)據(jù)科學(xué)合理處理，按照5mm 控制數(shù)據(jù)拼接精度。

（5）轉(zhuǎn)換內(nèi)頁數(shù)據(jù)坐標(biāo)過程中，可以將七參數(shù)布爾莎模型進(jìn)行應(yīng)用來轉(zhuǎn)換，并確保相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，通過已知點檢查轉(zhuǎn)換后的成果，提高其精度。

7 結(jié)語

在地質(zhì)災(zāi)害勘查當(dāng)中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，有效提高了傳統(tǒng)測量技術(shù)的不足，并保證了工作效率，精度也有效提高，未來隨著三維激光掃描技術(shù)和三維攝影測量技術(shù)以及三維激光點云數(shù)據(jù)充分融合，能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害地理模型真實再現(xiàn)，以便更好地采取有效措施防治地質(zhì)災(zāi)害，提高技術(shù)保障。