三維激光掃描技術在地質災害調查中的應用

　　三維激光掃描技術是近幾年發展起來的一種新興測繪技術，該技術已廣泛應用于工程建設與物體三維測量等測繪及相關領域，具有高效率、高精度的獨特優勢。本文在介紹三維激光掃描儀的工作原理的基礎上，以邢臺峽谷群地質災害調查為應用研究對象。為了更夠在地質災害發生前，對地質敏感區域進行很好的預警工作。利用三維激光掃描設備能夠快速獲取現場高精度三維數據，結合三維激光處理軟件，生成相對應的地質剖面圖、局部細節尺寸等信息，對應急災害提供精準可靠的基礎數據。

　　三維激光掃描原理與方法

　　1.三維激光掃描儀基本原理

　　三維激光掃描儀的工作過程，實際上就是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它通過具有一定分辨率的空間點（坐標x,y,z，其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描姿態有關的儀器坐標系）所組成的點云圖來表達系統對目標物體表面的采樣結果。三維激光掃描技術是將實體的三維復雜信息通過激光的捕獲形成帶有屬性信息的實體三維點云模型，通過高速激光的掃描測量，獲取目標的點、線、面、體、空間等三維實測數據進行高精度三維逆向建模，又稱實景復制技術。

　　2.數據處理方法

　　為了能夠得到好的三維點云數據需要對采集的原始數據進行處理，數據處理通常包括各測站點云數據拼接配準、數據去噪和坐標轉換等操作，數據拼接通過有多種方法，無目標拼接、有目標拼接以及采集過程實時自動處理拼接。

　　三維激光掃描儀數據采集及點云處理

　　1.項目概況

　　河北邢臺峽谷群國家地質公園1:1萬地質災害詳細調查的測量工作，是依據邢臺市國土資源局組織專家評審的《河北邢臺峽谷群國家地質公園1:1萬地質災害詳細調查設計書》開展工作的。測繪主要工作內容為：①1:200剖面測量；②1：500剖面測量；③1:200立面測量。其中地質剖面測量和立面測量工作主要是通過三維激光掃描設備進行數據的采集和處理，從而提交相應的符合精度要求的成果數據及報告。

　　本項目采用Trimble SX10三維激光掃描儀完成大量測量工作，由于三維激光掃描需要將三維激光掃描儀獨立坐標系統引入到當地絕對坐標系統中，所以本項目在每個地質災害點布設圖根點1個，圖根點采用河北省衛星定位綜合服務系統（HBCORS）。

　　2.設備投入

　　Trimble R8 GNSS接收機3套，Trimble SX10掃描機器人1臺，配套電子手簿、計算機等硬件及Trimble Business Center (以下簡稱：TBC)、Trimble RealWorks、Office等軟件。

　　3.外業數據采集

　　三維激光掃描技術相對于傳統數據采集方式具有更高精度、遠距離獲取等優勢。本項目利用三維激光掃描技術進行地質點三維點云數據的采集以及獲取，結合生成的地質剖面模型進行了地質點處地質剖面和立面測量工作。首先，根據各地質災害點的區域大小、位置等情況，規劃掃描站數和需要測量的特征點，利用天寶SX10進行數據的掃描，采集點云數據和全站儀特征點數據，內業主要利用TBC、Trimble RealWorks軟件處理點云數據，生成相應地質災害點的剖面線和立面圖等成果。

　　點云數據的采集分為準備工作和掃描兩個階段。準備工作主要是對現場進行踏勘，了解現場的具體環境，找出實地環境比較開闊而地方進行測站位置的選取，測站位置必須保證以最少的測站數獲取所有的目標數據，根據測站位置以及每一站的掃描范圍來決定整體工作流程，每個測站利用已知控制點進行定向工作，使用SX10設計測站，掃描所需要的點云，再利用SX10全站儀功能測量一些特征點，這些特征點可以用來檢核點云精度。SX10三維激光掃描儀最大掃描測程可以達到600米范圍，掃描速度高達每秒26600個點，激光光斑尺寸100米處僅14毫米，最高掃描精度1mm，測角精度可以達到1″。

　　外業數據采集現場

　　4.點云數據處理及分析

　　點云數據分析：由于地質環境周圍的植被或人工建筑物以及天氣影像，點云數據存在少量系統誤差和噪聲，不能直接使用且點云數據量大，會消耗巨大的存儲空間，因此需要對點云數據分析，判定點云是否存在未掃描的部位，若存在缺失部分，需要進行重新掃描，如果數據存在較小的空洞，即可進行補洞處理。

　　在TBC中加載后的原始三維點云

　　點云數據去噪處理：在三維幾何模型中，特征和噪聲往往具有一些類似的幾何屬性為了將噪聲與特征區分開來，將不連續、變化大的點云數據看作噪聲，而將連續的起伏小的點云視為特征信息。理論上想要達到的去噪效果是在去除噪聲的同時盡可能保留點云數據的特征信息，但在點云數據的實際處理過程中，不僅僅需要去噪，還需要對模型的表面進行重新構建，使模型表面的曲面保持連續性。本項目根據點云數據情況，采用雙邊濾波算法進行點云去噪，通過將點云數據利用TBC導出LAS格式后導入Trimble Real Works中進行點云處理，Trimble RealWorks是專業的激光點云處理軟件，具有方便快捷的點云處理功能。

　　點云數據簡化：點云數據具有海量數據的特點，其采集原理是以所需精度為間隔進行點云數據采集，這也造成了在地質剖面上曲率較小的位置點云數據冗余的現象，因此需要對點云數據進行簡化。本項目采用曲率采樣的方式進行簡化，其主要思想為: 盡量保留曲率大的區域的點云數據，以保證點云的細節特征，利用Trimble RealWorks具有的獨特算法通過減少曲率小的區域的點云數據的方式來減少數據冗余。

　　Realworks對曲率大的區域進行點云處理

　　表面模型生成：數據導入TBC可得到點云數據，利用Trimble RealWorks軟件自動分類地面、建筑物、電線桿和標志、高植被。軟件可以通過對應的算法剔除周圍的雜點，根據效果抽稀點云。在剔除植被、地物等非地貌部分點云數的基礎上，利用Trimble RealWorks基于點云數據生成三維模型，并對有問題的部分進行修改編輯。

　　數據成果生成：在Trimble RealWorks軟件中，根據實際項目需求，進行相應位置和區域的地質剖面線和立面圖的生成，并可根據現場已有控制點，或利用SX10 全站儀功能測量的特征點進行相應誤差檢核工作。Trimble RealWorks數據處理軟件可以將剖面線、立面圖數據導出為CAD(DXF/DWG)、GIS(SHP) 等格式的數據成果。

　　對處理好的點云數據進行剖面切割

　　測量過程中出現的技術問題及處理情況

　　由于項目區域位于都位于山區，測量時間為初夏，山區存在很多樹木、草叢等植被，SX10外業掃描時也會把這些植被掃描進行來，這就需要內業處理時剔除這些植被和草叢數據，否則會影響剖面線和立面圖等數據成果的精度。SX10后處理軟件采用Trimble TBC、Trimble RealWorks軟件，該軟件具有點云自動分類功能，可以在剔除植被、雜點、噪點之后在進行相應數據成果的生成，并進行相應的數據成果精度檢驗。

　　結語

　　本項目通過利用三維激光掃描技術獲取到地質區域的高密度、高精度的三維點云數據,對與處理好的三維點云進行特征提取，精確獲得整個坡體地面現狀，通過對典型區域進行處理分析，進行地質災害嚴重性的預判和應急處理。三維激光掃描技術具有絕對的先進技術優勢和應用潛力，這種數據獲取方法具有無需事先埋設監測設備、非接觸測量、作業速度快、測量精度高，能夠及時的反應地質災害隱患區域的總體形態，比較適合大型地質災害監測，具有一定的現實意義和應用價值。