地面三维激光扫描技术在地质调查中的应用

陈洪，周杰

(四川中水成勘院测绘工程有限责任公司，四川成都610072)

1 概述

我国西部地区的水电开发往往在高山峡谷中进行，边坡陡峭，常常使地质调查工作很难开展，需要耗费大量的人力、物力以及时间。传统地质调查方法不能满足水电工程建设中效率与效益并重的需要;地面三维激光扫描技术进行地质调查的方法应运而生，该技术的产生是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术改革［1］。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，其直接将各种大型、复杂、不规则的实体的三维数据完整的采集到电脑中，重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时可以进行各种后处理工作(如测绘、计量、分析、仿真、虚拟现实等)。将这种先进的技术应用到地质调查中，对工程建设具有很强的现实意义。笔者在对该项技术进行介绍的同时，结合工程实例，论述了该项技术在地质调查过程中对扫描信息的解译过程及岩体结构面参数测量的原理与方法。

2 三维激光扫描仪

三维激光扫描仪是一种可以大面积、快速度、高精度、大密度取得地物的三维形态及坐标的测量设备，内含扫描棱镜，不需反射棱镜即可精确测得扫描点的三维坐标，扫描得到的点云数据包含坐标信息、反射率信息、颜色信息等。三维激光扫描仪可分为星载、机载和地面激光扫描仪三种，地面三维激光扫描仪根据测量方式还可以细分为移动式激光扫描仪和固定式激光扫描仪［2］。地面固定式三维激光扫描仪是目前最为常见的三维激光扫描装置。笔者以加拿大Optech公司生产的ILRIS 36D地面三维激光扫描仪为讨论对象，扫描数据处理使用的软件为Polyworks9.0，该软件有较好的兼容性，导出的数据可以直接用于其它软件(如AutoCAD，Catia，GoCAD等)。目前市场上激光扫描仪及其数据处理软件种类很多，但总体来说，整个扫描及数据处理过程大致相同。

3 地面三维激光扫描仪在地质调查中的应用

利用地面三维激光扫描仪对地质环境进行信息的记录以及建模，相对于利用传统手段进行现场地质调查具有相当多的优点，所获取的资料更加科学、准确、真实且具有极大的空间便利性。对于不允许攀登或触及不到的位置进行扫描，所获取的数据具有多种应用可能，更加保障了现场工作人员的人身安全。

3.1 结构面的识别方法

结构面是地质调查的一个重要内容，三维激光扫描技术仅获取地质体表面的三维数据，获取的只是结构面的地表出露部分。结构面的识别必须与实际地质情况相结合，如深溪沟水电站在进行激光扫描采集数据后，有些结构面特征明显、产状稳定(图1)，这样的结构面可以直接在点云数据上进行识别;而对于特征不明显、规模小、产状有变化的结构面(图2)，则要参考现场调查、现场照片等来判断结构面性状。

3.2 结构面产状等相关测量

地面三维激光扫描仪的数据处理软件Ploy-works未直接提供结构面产状测量模块，但可以利用该软件中的拟合平面模块模拟出结构面，从而进行结构面产状等相关测量。首先将要测的产状结构面选中并拟合成一个平面(图3)，便可显示当前结构面的平面方程参数A=－0.400 539，B=0.639 029，C=－0.656 666(图4)。

图1 结构面特征明显

图2 结构面特征不明显

图3 选中并拟合结构面

图4 查看所选结构面的平面方程参数

根据平面一般式方程Ax+By+Cz+D=0(其中A，B，C组成平面法向量坐标n，即n={A，B，C})二次开发程序即可较准确的得到结构面产状(图5)，该结构面走向为NE，倾向SE，倾角约48.95°。

图5 结构面产状计算结果

3.3 危岩体三维尺寸及角度测量

在很多水电工程中，需要对高位危岩体进行调查。对于此类危岩体，调查人员难以靠近并接触到危岩体进行尺寸及角度测量(图6)。此时，地面三维激光扫描技术发挥了重要作用，利用该技术可以实现不用现场实地测量而能准确真实的获取数据，也更好的保障了调查人员的人身安全。

图6 危岩体尺寸及角度测量

3.4 面积及体积测量

地面三维激光技术获取到的三维数据不但可以计算危岩体的面积、体积，而且可以在工程应用中用来计算土石方量、开挖体积变化等。在汶川大地震后于唐家山堰塞湖滑坡区每间隔一周左右对滑坡区进行一次扫描，将两次获取的扫描数据结果叠加在一起进行体积对比分析，能够清楚、直观的根据模型颜色变化看出滑坡体的变化情况。

另外，可以把得到的结构面等模型导入到Catia软件中，与Catia软件配合使用。

4 结语

地面三维激光扫描技术在地质调查中有着广泛的应用前景，可以大大减轻地质调查的劳动强度，提高效率和安全系数。该技术突破了传统测量方式，从点测量发展为面测量，具有测量速度快、精度高等特点［3］。但是，该项技术也存在一些不足，比如受安全激光功率局限导致有效扫描距离有限;潮湿的地面和绿色植被等反射率较低的物体会导致扫描范围内出现盲区等，需要进一步进行改进、完善。目前，地面三维激光扫描技术处于一个发展、更新阶段，将其应用到地质工程领域并加深这方面的研究工作，使其成为未来地质调查的有效工具具有重要的工程意义。