三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害地形測(cè)繪中的應(yīng)用

楊茂偉

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

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三維激光掃描儀在地質(zhì)災(zāi)害地形測(cè)繪中的應(yīng)用

楊茂偉

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

地面激光掃描儀是一個(gè)由多個(gè)部件組成的復(fù)合系統(tǒng)，包括地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源及附屬設(shè)備，通過(guò)非接觸式高速激光測(cè)量方式獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行掃描后,采集到的物體表面各部分的空間位置信息是以掃描坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。掃描坐標(biāo)系定義為:坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處,掃描儀的理論豎直軸水平時(shí)的天頂方向?yàn)閆軸,掃描儀水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸的零方向?yàn)閄軸,Y軸與X軸、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

由激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可以獲得被測(cè)目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)(云點(diǎn))，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型(如圖1所示)。

圖1　掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

最后通過(guò)后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，且以多種不同的格式輸出，從而滿足空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

一、Trimble TX8三維激光掃描儀

TrimbleTX8具有360°×317°的視場(chǎng)角和1 000 000點(diǎn)/s的數(shù)據(jù)獲取速度，可以在3min時(shí)間內(nèi)完成一次典型的測(cè)量任務(wù)。TX8在其120m測(cè)程范圍內(nèi)都可以保持高測(cè)量精度，在可選升級(jí)配置中，其測(cè)程更可以擴(kuò)展至340m。

TrimbleRealWork軟件是Trimble地面三維激光掃描系統(tǒng)的配套軟件。掃描儀獲取的數(shù)據(jù)噪聲點(diǎn)少，大大減少了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間。TrimbleTX8獲取的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入TrimbleRealWorks軟件和Trimble掃描瀏覽器軟件中。通過(guò)TrimbleTX8和TrimbleRealWorks的配合，可以提供高效數(shù)據(jù)流給各種主流的CAD軟件。

二、作業(yè)方法

1. 掃描儀點(diǎn)云獲取流程

點(diǎn)云獲取的一般流程如圖2所示。

圖2

三、數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分：點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理(導(dǎo)入、去噪、拼接、拼接精度檢核、抽稀、輸出)，輸出數(shù)據(jù)去噪、線劃提取、圖符編輯、制圖輸出。

1. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理采用TrimbleRealWork軟件進(jìn)行。首先對(duì)采集的單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理去噪，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成公共面片，使用軟件的拼接功能將相聯(lián)系的測(cè)站區(qū)域進(jìn)行拼接，軟件自動(dòng)進(jìn)行精度檢查，保證兩站間的拼接精度控制在1cm以內(nèi)，從而完成兩站的數(shù)據(jù)拼接。依次進(jìn)行，得到完成的實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去植被操作，最終得到測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖3所示)。

圖3

2. 生成地形圖

進(jìn)行線劃提取和抽稀輸出，將提取的線劃圖導(dǎo)入CASS9.0軟件進(jìn)行圖符編輯，得到最后的測(cè)區(qū)現(xiàn)狀圖和平場(chǎng)標(biāo)高圖(如圖4、圖5所示)。

圖4　線劃提取

四、成果應(yīng)用

三維激光掃描數(shù)據(jù)可以為多個(gè)方面提供基礎(chǔ)數(shù)

據(jù)，如剖面、土石方、設(shè)計(jì)等。

圖5　地質(zhì)災(zāi)害體線劃地形圖

1) 提供等高線、多種縱橫斷面生成方式，可生成任意的斷面線，生成的斷面可以方便地導(dǎo)出到CAD及其他軟件中作進(jìn)一步加工處理和應(yīng)用。

2) 三維激光掃描的海量高程數(shù)據(jù)可以使土石方計(jì)算的方格網(wǎng)精度由米級(jí)提高到厘米級(jí)，從而使方量計(jì)算精度得到提高。

3) 支持基于點(diǎn)云進(jìn)行形體建模，并且可以手動(dòng)任意建?；蛑悄茏詣?dòng)建模，能夠精細(xì)再現(xiàn)掃描地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域；另外對(duì)所建三維模型進(jìn)行真彩色配準(zhǔn)，相機(jī)彩色圖片可以配準(zhǔn)貼圖到三維模型，設(shè)計(jì)人員可以有身臨其境的體驗(yàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理方法，為測(cè)繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展將使測(cè)繪行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段。三維激光掃描測(cè)量可用于變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測(cè)量等領(lǐng)域。

將三維激光掃描儀應(yīng)用到對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體的測(cè)繪設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查方法的有益擴(kuò)展與革新，提高工作效率的同時(shí)也提高了地質(zhì)災(zāi)害防止與設(shè)計(jì)的精度，并且可以提供傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

(本專欄由天寶測(cè)量部和本刊編輯部共同主辦)