基于地質測繪的三維激光掃描技術分析

文志波，陳 偉

（江西省地質礦產勘查開發局贛西地質調查大隊，江西 南昌 330000）

三維激光掃描技術是近年來地質勘查作業領域的熱門研究話題，應用此項技術進行地質測繪工作，可以提高測量結果的準確性與時效性。總之，相比常規的地質測繪技術，提出的技術徹底打破了傳統技術組織工作的缺陷，并實現了對獲取信息的高精度處理。例如，使用此項技術進行調查區域的地形、地貌勘察時發現，掃描儀器可以結合測點細節，進行地質信息的獲取，并且數據的掃描速度已超出原有技術的預設速度，最快可達到每秒數萬次?；诖隧梼瀯荩嚓P地區的地質測繪工作效率越來越高。與此同時，在應用激光技術時，與其匹配的硬件設備也同步更新，此種發展趨勢在真正意義上做到了為地質科研人員的現場作業提供支撐。截至目前，相關此項技術的研究已被廣泛應用到礦山開采、醫療診斷領域中，但將此項技術應用到地質測繪工作中的研究仍處于空白狀態。主要是由于技術在應用過程中，前端會生成大量點云數據，傳統測繪方法無法在規定時間內高效率地處理此類數據，使得地質勘查單位的地質測繪工作長期處于一種停滯狀態。為了突破傳統技術對其的束縛與限制，本文將對基于地質測繪的三維激光掃描技術展開設計與研究[1]。

1 基于地質測繪的三維激光掃描技術

1.1 基于地質測繪的三維坐標系轉換

為了確保在地質測繪過程中，三維激光掃描技術應用的有效性，可在進行掃描工作前，對待測繪的地質坐標進行三維轉換。通常情況下，掃描設備自身具有一套完善的坐標體系，并默認在執行地質掃描時，原點坐標表示為{0，0，0}。但將三維激光掃描設備應用到地質測繪過程中，便屬于將測繪結果置于GIS內，因此，有必要在掃描前，進行坐標系的轉換，以此確保掃描結果與地質結果具有一定適配性。例如，在露天地質測繪過程中，需要確定掃描過程中全站儀在空間內的位置，在此基礎上，將儀器與GPS定位設備進行對接。開啟設備后，需要先進行地質目標的獲?。ㄍǔＧ闆r下，對應目標為5～8個），在確定目標后，再使用三維激光設備對目標周圍地質進行大規模掃描。此時，前端獲取的數據不僅包括激光掃描數據，同時也涵蓋一定數量的目標數據，要滿足地質測繪需求，應將前端現有數據進行坐標匹配。為此，基于坐標軸轉換法，進行數據矩陣的轉換，此過程可用下述計算公式表示：

公式（1）中：1X、1Y與1Z分別表示為轉換后三維坐標系對應的空間坐標點，其中X與Y在空間中對應正北方向與正東方向；X0、Y0與分別表示為三維激光掃描設備在進行測繪地質掃描過程中，自身的坐標系對應點坐標；s表示為對應的測繪比例，也可將其認定為空間掃描放大系數，當對應的兩個坐標體系量綱呈現對等狀態時，此時可定義s=1.0；xW、yW與zW分別表示為坐標點在空間中的平移長度；R表示為空間旋轉坐標轉換矩陣；1a、2a與3a分別表示為掃描測繪點，通常情況下為最少3.0個測繪點，根據實際情況，可適當增加測點。

在完成對空間點坐標的基礎轉換后，結合GPS-RTK技術，進行特征點放大點坐標的獲取，并在區域衛星條件允許的前提下，對每個轉換點進行衛星坐標校正（當GPS接收點測量可精確到具體位置或受到3個以上衛星的同步定位時，可認為此時的衛星條件符合標準）。按照上述計算公式（1）進行所有測點坐標的三維轉換，將完成轉換后的坐標導入地質測繪坐標體系內，以此完成本章的研究。

1.2 三維地質激光掃描數據收集

在完成上述工作后，進行三維激光掃描數據的獲取，在此過程中，為了確保獲取的數據具有較高的通視條件，可在掃描過程中，在待測繪的地質區域內增設3個通視范圍在90.0°～120.0°的觀測樁。在觀測樁上架設掃描設備，將此設備與終端GPS設備建立通信聯系。

考慮到收集的激光掃描數據需要被導入一個統一的維度，因此，需要在此過程中確保觀測樁結構的穩定性。在此基礎上，使用在其上端集成的定向標志進行獲取數據參數的整平，整平的參數需要涵蓋激光掃描密度與激光有效掃描范圍等，通過此種方式，便可以實現對初期地質測繪數據的收集。

1.3 三維激光點云數據匹配

上文收集的激光掃描數據在地質測繪空間內屬于點云數據，此種數據是掃描設備對地質結構掃描后形成的單個掃描點集合，對應的每個點坐標均含有三維坐標軸，也均可以作為地質結構、地層物理性質的評估依據。但僅根據此部分數據進行地質測繪結果的描述，會使描述結果受到點坐標光照強度與反射顏色的影響，甚至會由于計算機成像導致被測物體存在分辨不清的問題。因此，需要對收集的點云數據進行地質測繪三維空間匹配。通常情況下，此過程中需要輔助使用計算機設備進行，具體操作步驟如下。

第一步為“編輯”點云數據集合，此操作步驟的目的是消除數據中的顯著異常差值，或裁剪部分與地質測繪區域建模無關的冗余數據。第二步為“配準后拼接”，在不同觀測樁上尋找收集數據集合中的公共坐標點，根據公共點對應的空間位置，進行地質測繪中心點的定位。在完成對中心點的確定后，在數據集合中刪除重復的點云數據，確保集成所有數據后，點云數據集合可以成為一個整體。同時，也可以結合觀測樁的測繪方向，進行點云數據的旋轉，確保所有數據在一個統一直角坐標體系內。第三步為“建?！保瑢⑺凶鴺讼祪鹊狞c云數據與測繪地質空間內的物體進行對接，構建一個三維掃描模型。模型中不僅包含地質信息，同時也包含實體信息。在此基礎上，將所有信息進行計算機的集中導入，以此完成三維激光掃描技術的分析。

2 實例應用分析

選擇將某礦山工程建設項目作為依托，針對該項目的礦山地質勘察工作，引入本文提出的基于地質測繪的三維激光掃描技術，一方面為了驗證該技術的可行性，另一方面為了驗證該技術的掃描效果。在具體作業過程中，利用三維激光掃描儀及高精度定位裝置對其地質條件進行快速測量，在勘察區域設置4個測量站，并保證每天勘察過程中的外業工作時間控制在2小時左右。在該研究區域當中，設置5個不同的測點，并通過高精度定位裝置對五個測點的坐標進行測量，并記錄如表1所示。

表1 研究區域五個測點定位坐標

表1中X表示為測點水平方向坐標；Y表示為測點豎直方向坐標；Z表示為測點空間坐標。在表1研究區域五個測點定位坐標數據的基礎上，利用本文掃描技術對該區進行掃描，并將上述五個測點在掃描圖像當中標記。比較五個測點在各個方向上的差異量，差異量表示為測點實際定位坐標與掃描生成的圖像之間的誤差。差異量的計算公式為：差異量=測點實際定位坐標-生成掃描圖像上測點坐標。將計算結果記錄，并繪制成圖1所示。

圖1 三維激光掃描結果差異量變化圖

圖1中x表示為水平方向測點差異量；y表示為豎直方向測點差異量；z表示為空間方向測點差異量。從圖1得出的差異量變化結果可以看出，最小差異量出現在測點V，數值為0.26mm，最大差異量出現在測點III，數值為2.67mm，掃描后生成圖像中各個測點在三個方向上產生的差異量均未超過3.0mm，具有較高的掃描精度。因此，通過實驗證明，本文基于地質測繪提出的三維激光掃描技術在應用到真實的地質勘察工作當中，能夠實現對被勘察區域各項勘察信息的精準掃描，同時也進一步證明了地質測繪在礦山地質勘察掃描當中的可行性，為掃描技術的合理實施提供更加有利的基礎條件[2-4]。

3 結語

三維激光掃描技術在實際應用中，具有較強的靈活性與較高的準確性，但相關方面的研究大多局限在理論階段，為了實現此項技術的廣泛應用，本文開展了基于地質測繪的三維激光掃描技術研究，并在完成研究后，通過實例應用的方式，對此項技術的功能進行了檢驗，證明三維激光掃描技術具有較強的實用性。總之，本文此次的研究，在真正意義上實現了地質測繪工作的突破，為地質勘探、礦山找礦等工作的實施，給予了足夠的技術支撐。但要真正將此項技術在市場內推廣，還需要加大對掃描過程中影響因素的綜合判斷與分析，只有解決了掃描過程中對其行為造成負面干預的因素，才能確保掃描結果具有更高的成像價值。