徠卡ScanStation2激光掃描儀在水電工程地質編錄中的應用

成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室 董秀軍

徠卡測量系統(tǒng)(上海)技術中心 戚萬權

徠卡ScanStation2激光掃描儀在水電工程地質編錄中的應用

成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室 董秀軍

徠卡測量系統(tǒng)(上海)技術中心 戚萬權

一、引 言

隨著社會發(fā)展對能源需求的與日俱增，近年來我國水電建設方興未艾?？墒撬婇_發(fā)往往進行于高山峽谷之中，并且由于山高坡陡，場地道路簡易，因此導致水電建設的勘察工作艱苦且危險，也對地質勘察信息的獲取帶來了大量困難。

邊坡巖體結構地質編錄是地質勘查的重要內容，同時也是進行工程地質問題分析與評價的基礎。在科技日新月異的今天，水電建設借助科學技術的進步取得了巨大發(fā)展，但是工程地質編錄的主要手段仍停留在羅盤+皮尺的傳統(tǒng)方式，即通過皮尺確定結構面的相對位置、延伸長度、厚度、間距等幾何特征，現場勾繪結構面輪廓線;使用地質羅盤獲取結構面產狀信息，然后通過計算機掃描矢量化現場圖件。這種方法不但工作量大、效率較低，而且難以保證測量數據的準確性。另外，隨著工程建設規(guī)模越來越大，邊坡越挖越高，開挖速度越來越快，在施工過程中開挖、運渣、支護往往又是同時進行，因此很難為調查人員提供充裕的時間和安全的空間進行詳細的現場地質編錄，特別是在高陡邊坡開挖過程中，現場獲取開挖邊坡的巖體結構信息，難度是相當大的。

面對快速開挖形成的高陡邊坡，如何快速完成相關的地質編錄工作，如何減少對施工的影響以及對作業(yè)人員的安全隱患，如何在艱苦的環(huán)境條件下提高水電工程前期地質調查工作的效率和精度等問題。都需要引進快速、高效，且對地形條件有很強適宜性的現場地質調查技術。

針對以上這一系列難題，國內外開展了大量技術方法的研究工作，如數字攝影測量、數碼像片解譯等，并在硐室圍巖、邊坡開挖等工程的地質編錄與隧道、坡體變形監(jiān)測等方面都有應用。但這些技術的應用需要配合大量的現場測量工作，并受光線、天氣等諸多因素影響，同時還存在一些技術上難以克服的問題，因此某些生產實踐中并不適用。而三維激光掃描技術的產生，為上述問題的解決提供了最為有效、實用和先進的技術手段。

二、徠卡ScanStation2激光掃描系統(tǒng)

徠卡ScanStation 2三維激光掃描儀是目前掃描速度最快的脈沖式激光掃描儀，其掃描速率可達50 000點/秒，也是第一部具有全站儀功能的掃描儀，具有全方位視角、高精度雙軸(傾斜)補償器、測量級的點位精度等特點。ScanStation 2三維激光掃描儀由筆記本電腦控制操作，可方便查看掃描成果，還具有一體化內置數碼相機，可現場實時采集掃描物體的彩色信息，并使得彩色信息與點云數據完美結合。該掃描儀還具有先進的激光器及掃描批處理技術，其硬件設備具體參數如表1所示。

表1 ScanStation 2激光掃描儀性能參數

三、水電工程開挖邊坡地質編錄中的應用

某水電站左岸拱肩槽開挖邊坡高數百米，在高程1 845 m馬道處上一級開挖槽坡高10 m，長55 m，坡角60°，呈現陡崖狀，現場不具備攀爬條件。由于邊坡現代化施工速度迅速，現場地質編錄時間有限，同時邊坡上部進行的支護施工會對坡面地質調查人員人身安全帶來安全隱患。因此傳統(tǒng)的工程地質編錄方式在此已經不再適宜。

本次掃描采用徠卡ScanStation2三維激光掃描儀，并充分利用該設備點云數據采樣精度高、速度快、采樣分辨率高的特性，對該高程馬道上一級開挖邊坡進行三維點云數據采集。根據現場地形條件，本次采集共設置2處掃描機位點，并將兩次獲取的點云數據通過標靶拼接方式進行合并，同時對標靶點進行大地坐標測量，以便對獲取的點云數據進行坐標轉換，使點云圖像坐標與工地現場實際情況相符合;考慮到本次研究內容要求，需要獲取細小巖體結構面空間信息，以便進行巖體結構的精細描述。因此，考慮采樣時間限制，最終設定采樣點間距為4 mm。

1.結構面跡線空間位置獲取

通過點云數據與彩色信息相互耦合的后期處理，便可以得到彩色信息真實、采樣密度大、大地坐標值準確的點云數據影像。此時提?、瘛ⅱ蚣壗Y構面信息已變得簡單，但是對于Ⅲ級結構面識別與提取在某些情況下還存在一定困難。由于Ⅲ級結構面相比之下具有隨即斷續(xù)分布、延伸長度較小及硬性接觸等特點，較難解譯識別。

筆者通過大量試驗、多次嘗試，找到了兩種Ⅲ級結構面三維點云數據的識別、解譯提取信息的方法:①直接在點云數據表面識別結構面;②利用外部數碼相片耦合提取。

方法①在掃描點云數據中用空間多義線對結構面出露跡線進行描述，簡單實用、快捷，在結構面發(fā)育、出露清晰、規(guī)整的條件下，可利用點云影像數據直接識別。但在實際工作中經常會遇到由于結構面短小、雜亂等情況，此方法就存在一定困難，為解決這一問題，可采用方法②。

方法②可按照如下流程進行操作:

1)由于目前掃描技術可以實現外部彩色相片與點云數據相耦合，因此，可以利用高清晰數碼相片分辨率高，對細小結構面反映清楚、細致這一特點。先從外部數碼相片入手，在數碼相片上解譯細小結構面，然后利用畫圖工具在照片上將結構面出露跡線用不同顏色描出并分組。

2)利用坡表或人工標記點將三維點云數據與處理過的多幅照片進行耦合。

3)通過標記結構面信息的彩色點云三維影像數據，可以清晰、準確提?、蠹壗Y構面的空間信息。

2.結構面產狀獲取

在Cyclone軟件中將巖體結構面識別后，利用選取工具在結構面出露部位點云數據中選取一個點或多個點，然后利用軟件中提供的Create Object/ Region Grow/Patch功能，對所選點的平面進行自動搜索，以最終得到擬合平面(如圖1所示)。選取點的準確性及代表性將直接影響擬合結構面的準確性，最后由擬合平面獲取平面方程參數。

圖1 生成擬合平面并獲取參數

本文所提的三維點云數據都經過大地坐標轉換，每個點云的坐標值都與現場掃描目標體真實大地坐標相對應，由此就可以應用幾何、數學知識求解結構面的產狀。

因此，可在分組結構面中對每組典型結構面進行產狀測量。對結構面坡表出露部位上點云數據的自動捕捉，生成一擬合平面，以此平面代表結構面的空間延伸狀態(tài)，并獲取該平面法向矢量。由于其所在坐標系統(tǒng)為真實的大地坐標值，因此根據平面法向矢量便可得到結構面的產狀參數。根據獲取的結構面分組產狀，再利用AutoCAD進一步完善在以上的操作流程中，還需注意一些細節(jié)問題:①獲取的結構面三維數據只能反映結構面空間幾何信息，彩色信息也只能反映部分地質信息，現場巖體結構的總體觀察、判斷及描述是十分必要的，這點對后期的解譯也具有重要的指導意義;②獲取多幅外部數碼相片時，應注意照片拍攝環(huán)境盡量一致，避免造成前后照片色差、亮度等變化過大;③外部數碼相片要完全包含掃描區(qū)域范圍;④對細小結構面的三維點云識別，除了照片標記的跡線外同時還有注意其三維空間形態(tài)，最好是兩者相結合共同識別。

四、結論及展望

基于三維點云數據對巖體結構進行快速輔助地質編錄工作的研究，是傳統(tǒng)地質調查方法的有益補充，并提供了巖體結構調查的一種新方法。實踐表明該方法速度快、精度高，具有很強的適用性和極高的應用推廣價值。

三維激光掃描技術在水電工程領域有著廣闊的應用空間，大力發(fā)展三維激光掃描技術與傳統(tǒng)地質調查方法相結合的技術方法與手段有著重要的研究意義。著眼未來“數字水電”、“三維可視化”等先進技術發(fā)展方向，三維激光掃描技術必將掀起一輪地質調查方法的技術革新。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)