地質測繪中三維激光掃描技術的應用

馮濤

(山西國測新圖信息技術有限公司，山西 晉城 048000)

三維激光掃描技術屬于新興技術，在應用過程中通過激光射器向被測對象發出光線，光線抵達物體表面后反射至接收器，由光轉換器將反射光線轉換為電信號，再將電信號發送至終端程序進行譯碼處理，進而獲得相應信息。該技術如今在我國得到了廣泛應用，不僅為相關測繪機構節省了資金成本，也提升了測繪工作的效率，更確保了測繪人員的人身安全。且該技術中融合了多種先進技術，充分保障了測繪數據的質量，尤其是可以在沒有燈光的情況下采集數據，這是很多測繪技術均不具備的優勢。

1 三維激光掃描技術的優勢

1.1 數據采集精準度高

傳統測量工藝中通常需要測量工人拿著尺子和其他測量工具對物體進行近身測量，然而地質測繪的工作環境往往較為復雜，甚至很多時候需要在惡劣的環境中開展測量工作。為了避免測量工人在測繪工作中發生安全事故，一些難以測量的位置通常會被略過，如此一來也就導致了測量數據缺乏完整性和準確性受到了影響。而三維激光掃描技術應用后此方面問題得到了很好地解決，首先，在應用該技術時，測量人員不必再近身測量，即使掃描儀和被測物體之間隔著較遠的距離，只要調整好參數和角度，依然能夠有效減少數據誤差。如中遠距離激光掃描儀，其在作業時單點精度可以達到mm-cm級，我國掃描儀種類繁多，不同種類、不同規格的掃描儀在精度上也有所不同，測繪人員通常會根據工作要求科學選擇掃描儀。全站儀的精度相對而言較高，三維激光掃描技術雖然在此方面與其有一定差距，但若是從模型化精度而言，經過多年發展此方面已經得到了強化，能夠充分確保測量數據的精準性滿足工作需求。另外，在該技術應用下，操作人員可以不必反復針對被測物體進行測量，可以大幅度減少操作人員的工作任務量，并且不會影響三維建模質量[1]。

1.2 強化測繪工作效率

地質測繪工作極具系統性和專業性，對測繪人員以及測繪工藝都有較高的要求，在先進技術未得到廣泛應用之前，開展測繪工作時往往需要投入大量人力物力和財力，并且耗時較久。而在眾多先進技術得以廣泛應用后，地質測繪工作的工作效率有了明顯提升，在這些新興技術中，三維激光掃描技術的應用頻率較高，因為其操作較為方便，且能夠有效確保測量數據質量，前期購置設備的資金投入和后期維護資金投入都相對較小。此外，其能夠有效縮短測繪所用時間，當操作人員用掃描儀掃描被測物體后的幾秒內就可以獲得相應信息，并且可以在短時間內針對空間信息進行激光掃描。很多地質測繪工程中都會涉及大面積空間，獲取此方面數據信息也往往較難，而三維激光掃描技術恰恰可以很輕松地解決此方面問題。目前所使用的掃描儀采集速率已經達到了千點/秒-十萬點/每秒，這是三維激光掃描技術所獨有的技術優勢。

1.3 具備非接觸性

三維激光掃描技術主要以掃描工藝為主，通過掃描測繪人員可以快速獲得測繪數據，而其所帶有的非接觸性特征則指的是，操作人員在應用該技術開展測繪工作時，不必像傳統測繪人員般接觸測量目標，只需要通過激光掃描就可以得到相應物體和空間的三維信息。無論是礦山地質檢測，還是建筑工程地質檢測，其往往都會存在因客觀因素而導致測繪人員無法開展測量工作的情況，尤其是一些地理環境極其惡劣的山區，若要在此區域內開展測繪工作往往困難重重，更遑論對被測物體進行接觸性測量。而三維激光掃描技術則不會受此方面影響，并且，一些先進技術雖然可以針對洞穴進行精度測量，但若其內部環境過于黑暗，也會對測量數據造成影響。三維激光掃描技術因可以通過紅外線進行測量，也不會存在此方面問題[2]。

1.4 受外界因素影響較小

我國目前應用于地質測繪方面的測量技術有很多，且這些技術都有其優勢，最基本的優勢在于，這些技術通常都能夠充分確保測量數據的準確性、時效性、全面性。但這些技術在應用過程中有時會受到外界因素影響，尤其是自然環境，但三維激光掃描技術卻鮮少會受到外界因素影響。地質測繪工作通常在室外進行，且很多測繪項目處于山區，當地不僅地形地貌復雜，還可能多雨、多雷電，導致當地濕度和溫度都呈現出異常狀態。此時若使用其他測量技術很可能會因自然環境而對其測量效率造成影響，但三維激光掃描技術具有極強的抗干擾能力，并不會受天氣、溫度、濕度等方面的影響。且其具有紅外線掃描功能，能夠在漆黑的環境下正常開展掃描工作，因此只要掃描儀自身沒有出現故障，其可以全天不間斷地進行實時動態觀測。

2 三維激光掃描技術的應用流程

根據對三維激光掃描技術以及地質測繪工作的了解，當其處于地質測繪工作環境下時，其應用流程為：1)先派遣人員進行實地勘察，主要是為了確認操作環境布局，以便于確定更合適的掃描點，然后讓測繪人員對測繪工作要求進行分析，分析后分別設置掃描設備的各項參數，最后在開展測繪工作時，測繪人員需要嚴格按照操作規范進行，對待測區域的三維點位數據進行掃描；2)在掃描儀工作后，其會獲得大量現場數據，這些數據均是建立三維模型的基礎，在GPS系統作用下，三維激光掃描技術能夠精準定位，并構建出立體圖像。獲得三維模型后，測繪人員可以根據該模型對整個測繪點進行更深入的剖析，包括其地質地貌、環境等方面；3)建立好三維立體模型后，測繪人員需要據此來建立信息系統，同時發揮該技術的實時監測優勢，對動態監測系統進行優化，這些數據也可以應用到其他測繪工作節點中，以此來開展數字化管理工作[3-5]。

3 三維激光掃描技術在地質測繪中的具體應用

3.1 采集地質數據

地質測繪工程開展過程中需要對多個方面進行測繪，以便于測繪人員獲得更全面的地質水文信息，為后續施工、作業提供有效依據。若要實現這一目標，測繪人員就需要通過相應的測繪手段來實現，如三維激光掃描技術。以礦山開挖為例，礦山在開挖之前必須對礦山進行必要的測繪工作，而測繪工作的主要內容就是獲取數據，一些常規測量工具能夠針對礦山的基礎信息進行測量，一些難以開展測量工作的區域則通常使用三維激光掃描技術，或是無人機技術。在應用三維激光掃描技術時，如果想要充分確保其測量精準度，最好能夠以計算機軟件進行輔助。此外，也要科學選擇掃描儀，市面上很多掃描儀自身質量不過關，若使用了這些掃描儀，必然也會對數據采集方面造成影響。若數據采集出現失誤，不僅會對礦山開挖工程造成影響，甚至可能因此而引發安全事故，因此需格外注意。

3.2 預處理測量數據

在應用該技術采集到所需數據信息后，這些數據信息還不能夠直接使用，需要對其進行處理，也就是預處理測量數據。在開展此項工作時，測繪人員需通過激光雷達點云數據技術來噪聲數據進行消除和分離，如果此類數據始終無法分離出去，會導致最終數據存在一定誤差。此外，在測量數據中一定會有坐標數據，這些坐標數據有時與實際情況不符，測繪人員也可以根據實際情況對其進行改換，并據此來匹配圖像和點石頭，確保數據信息的準確性。再者，測繪人員需要通過一系列技術手段來處理和匹配不同點位之間的數據，此舉是為了統一數據格式，因為在掃描儀作用下獲取的數據在表現形式上可能存在差異，如果不對數據進行統一，將難以開展后續工作。地質信息的分析工作較為繁雜，需要分層處理，即預處理完成后，還需要對具體數據進行數據，尤其在構建模型后，還應對數據進行全方位分析[6-7]。

3.3 提取繪制地面物體

對于地質測繪而言，其在開展過程中往往需要對多個部位進行測量，地面物體是其中十分關鍵的部分。一般而言，如果地質信息還沒有被分析處理，那么其在系統內通常以多組信息數據的形式存放，此時其并沒有多少使用價值，而對其進行處理后，其會成為建模的依據。但在此過程中需要將地面物體的數據進行提取和繪制，從而構建出目標區域的地貌模型，并以矢量表達的形式來呈現這些數據信息[8-9]。在該工作環節下，三維激光掃描技術也能發揮很好的作用，因為其只需要對物體表面輕輕掃描一下，就可以獲取數據，并將其與點云數據相結合，在特殊軟件作用下，所獲得的數據信息可以進行轉換，當其被轉換成便于存儲的格式后，測繪人員需要將其提前出來，然后導入到相應的制圖軟件，最終完成繪圖操作。

3.4 生成等高線

在應用掃描儀對目標區域進行作業時，其已經將附近的所有數據信息進行了掃描，并進行了存儲[10-11]，其中以點云數據為主，通過對這些數據進行分析后可以知道，數據中囊括的種類較多，除了基礎的地質信息外，還包含了樹木、植被以及房屋等方面信息。這些信息處理起來并不會耗費多少時間和精力，但其中也收錄了噪音，若要使這些數據得到有效應用，首先需要對噪音進行處理，處理完此方面信息后，還要對剩余信息進行甄別，挑選出非地形信息，然后刪除掉這些信息。如此一來才可充分確保現存數據信息均為地質測繪的有效信息，在開展工作時主要使用Cyclone軟件進行作業。數據剔除后，下一步就是要生成等高線，此時需要借助CASS軟件來實現，在應用該軟件之前，技術人員需要對該軟件的參數進行重置，使其能夠完全滿足當下測繪工作的使用要求，如等高兼具手動測繪區的高程點數據，當其處于標準參數后，只需要點擊一下就可以自動生成等高線。疊加生成的等高線圖形和地物圖進行疊加后再進行編輯，就可以針對等高線的部分問題進行處理，如有些等高線會出現局部缺損，或是扭曲情況。除了自動校正外，測繪人員還可以根據相應的圖片來進行手動校正，然后在改動的部分做好標記，最后方可得到一個完善的地形圖。

3.5 編輯地形圖

獲得地形圖后還不能夠將其直接投入到工程項目中，還需要對其進行進一步編輯，事實上，之所以對其進行編輯，主要是為了能夠確保地面實物圖形能夠與等高線圖形實現高度一致，否則會對后期施工、作業等方面造成麻煩。測繪人員開展地形圖編輯工作時，需要對一些數據信息處理，通常將數據進行剔除，或是以一些其他數據來替代原數據。如此一來前期數據的完整性就遭到了破壞，等高線出現偏差是難以避免的事情，這也會導致地形圖編輯工作變得更加難以開展，此時需要專業人員根據手頭資料進行人工干預，如對數據信息進行補充，以此來確保地形圖資料的完整性。我國在此方面能夠發揮作用的軟件有很多，但這些軟件在性能上依然有所欠缺，今后還應針對這些軟件進行進一步優化和革新，盡量減少人為操作，因為人為計算數據的速度和精準度都難以與科技相媲美。

4 結語

綜上所述，近年來我國不斷加快城市化建設和城鎮化建設，使得人們的生活水平有了很大提升，而在城市建設和城鎮建設過程中，出現了越來越多的基礎工程，這些工程在正式開展之前往往都需要進行地質測繪工作。雖然我國已經具備多種先進的測繪技術，但這些技術不同，所產生的測繪效果也有所不同，對測繪環境的要求也存在差異。而三維激光掃描技術在應用過程中卻鮮少會受外界因素影響，因此該技術不但拓展了應用領域，日常測繪工作中也通常以該技術為主。若要充分發揮該技術作用，操作人員還應嚴格按照項目測繪要求來調整掃描儀參數，強化其數據自動化處理水平。