本文關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

摘要：三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)與物體三維測量相關(guān)的 摘要 眾多領(lǐng)域，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。目前，該項技術(shù)的應(yīng)用在國 內(nèi)尚處于起步階段，尤其是在地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域。在對該項技術(shù)的總體 情況進行簡單介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，闡述應(yīng)用該項技術(shù)解決高陡 邊坡調(diào)查中，關(guān)于邊坡快速編錄和巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)測量的

原理與方法，由 此可以看出該項技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景和價值。

1 引言 我國水力資源開發(fā)進入了一個迅猛發(fā)展的階段。一系列在建或擬建的 大型水利水電樞紐工程，其工程規(guī)模越來越大，涉及到的邊坡開挖深度也 越來越高。因此，高陡邊坡的穩(wěn)定性問題成為制約工程建設(shè)可行性和運行 安全的重要工程地質(zhì)和巖石力學(xué)問題。在高邊坡的穩(wěn)定性評價中，分析的 基礎(chǔ)是對邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的掌握和描述，而水電開發(fā)往往在高山峽谷中 進行，山體雄厚，邊坡陡峻，使得地質(zhì)調(diào)查工作因人員難以企及而無法正 常開展；另外，在工程建設(shè)期間，面對快速開挖形成的高陡邊坡，必須很 快完成相關(guān)的地質(zhì)編錄工作，而這不僅需要大量的人力投入，而且影響施 工并給作業(yè)人員帶來安全隱患問題。如何提高調(diào)查工作的效率和精度等， 所有這些都需要在高邊坡地質(zhì)調(diào)查工作中引進快速、高效且對地形條件有 很強適宜性的調(diào)查技術(shù)。 針對這一難題，國內(nèi)外也曾開展了一些技術(shù)方法的研究工作，如數(shù)字 攝影測量、數(shù)碼像片解譯等，在硐室圍巖、邊坡開挖等工程的地質(zhì)編錄與 隧道、坡體變形監(jiān)測等方面都有應(yīng)用。這些技術(shù)方法都要對獲取的圖像進

行處理，包括影像的畸變校正、幾何校正、影像增強及影像鑲嵌等程序。 影響測量精度的因素較多，如數(shù)碼影像畸變校正殘差、數(shù)碼相機內(nèi)方位元 素穩(wěn)定性誤差、相機外定向誤差及作業(yè)條件下的諸多因素。這些技術(shù)的應(yīng) 用需要配合大量的現(xiàn)場測量工作，同時其技術(shù)上還存在一些難以克服的問 題，因此生產(chǎn)實踐中難以推廣應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)的誕生，為上述問 題的解決提供了最為有效、實用和先進的技術(shù)手段。 三維激光掃描技術(shù)又稱實景復(fù)制技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描 實物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)，其最大特點就是精度高、速度快、逼近原 精度高、速度快、 精度高 形。該設(shè)備可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模 型重構(gòu)，無需進行任何實物表面處理，，其激光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是 直接采集目標的真實數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠。 三維激光掃描技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)與物體三維測量相關(guān)的眾 多領(lǐng)域，包括土木工程、古建筑修復(fù)、文物保護、工廠改造、城市規(guī)劃等， 并具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。 三維激光掃描技術(shù)是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域的研究前沿，將這一先進的 技術(shù)及時應(yīng)用到高邊坡地質(zhì)調(diào)查中，對工程建設(shè)具有很強的現(xiàn)實意義。 在對三維激光掃描技術(shù)的總體情況進行簡單介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程 實例，闡述應(yīng)用該項技術(shù)解決高陡邊坡調(diào)查中關(guān)于邊坡快速編錄和巖體結(jié) 構(gòu)面參數(shù)測量的原理與方法，該項技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域具有廣泛的 應(yīng)用前景和很高的應(yīng)用價值。

2 三維激光掃描系統(tǒng)簡介 三維激光掃描系統(tǒng)是目前國際上最先進的獲取地面空間多目標三維數(shù) 據(jù)長距離影像的測量技術(shù)，它將傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的點測量擴展到面測量，可

以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型、復(fù) 雜實體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到計算機中，進而快速重構(gòu)出目標的三維模 型及點、線、面、體等各種幾何數(shù)據(jù)，而且用所采集到的三維激光點云數(shù) 據(jù)還可以進行多種后處理工作.

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)分類 目前應(yīng)用的三維激光掃描系統(tǒng)從操作的空間位置可以劃分為3 類：(1) 機載型激光掃描系統(tǒng)；(2)地面型激光掃描系統(tǒng)，根據(jù)測量方式還可細分為 移動式激光掃描系統(tǒng)和固定式激光掃描系統(tǒng)；(3) 手持型激光掃描系統(tǒng)。

2.2 地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)簡介 地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最為常用的三維激光掃描裝 置。按照激光光束的發(fā)射方式、掃描成像方式及測距原理等還可以進行分 類。 目前市場上的三維激光掃描儀種類繁多、性能各異、數(shù)據(jù)處理軟件不 盡相同，但總的來說，整個掃描及數(shù)據(jù)處理過程是相似的。

2.2.1 掃描 一般來說，由于掃描儀掃描范圍的限制，三維激光掃描儀很難從一個 方向掃描一次便可得到掃描體的完整點云數(shù)據(jù)，反映一個掃描實體信息通 常要由若干幅掃描才能完成。因此，掃描中要求相近場景的2 次掃描要有 一定的重疊部分，以便在處理軟件中對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行拼接匹配。 故在掃描前應(yīng)對掃描場地進行初步踏勘，合理設(shè)置儀器的架設(shè)方案�？茖W(xué) 合理地架設(shè)掃描機位，對采集高質(zhì)量三維數(shù)據(jù)、提高測量精度、全面反映

場景細節(jié)有著十分重要的意義。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理 對于激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)都是以掃描儀位置為零點的局部坐標 系，亦即每次經(jīng)掃描而得到的點云數(shù)據(jù)的坐標系是獨立和不相關(guān)聯(lián)的。但 實際上每幅點云陣數(shù)據(jù)都是掃描場景的一部分，那么有必要將這些點云數(shù) 陣據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標系里。所以要對得到的點云陣數(shù)據(jù)進行拼接匹配，其 常規(guī)方法是利用選擇兩幅掃描圖像的公共點(至少3 個公共點)的辦法來實 現(xiàn)拼接，選擇完成后軟件可自動完成匹配并可查看拼接匹配誤差。這樣便 將各個掃描文件獨立的坐標轉(zhuǎn)換成為以導(dǎo)入拼接軟件的第一幅點云數(shù)據(jù)的 局部坐標為整個掃描場景的坐標。然后可利用現(xiàn)場測得的標志點( 3 個)的 大地坐標對拼接好的點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，以使掃描得到的點云數(shù)據(jù)與 現(xiàn)實場景的方位、位置完全一致。 對獲得的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以進行長、寬、高、面積、體積等幾 何數(shù)據(jù)的量測；可以進行斷面圖、投影圖、等值線圖的生成；在地質(zhì)調(diào)查 應(yīng)用中還可以獲得掃描巖體的層面產(chǎn)狀、危巖體的空間精確三維坐標等。 點云數(shù)據(jù)的后處理還可將點云數(shù)據(jù)模型化生成三角面片，編輯生成的模型 可以刪除沒必要的三角面片，彌補沒有掃描到的漏洞，進行模型表面光滑、 局部或全部三角面片的壓縮等。該軟件提供了大量常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出接 口，可以輕松地將模型及量測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成常用軟件的格式，如AutoCAD 等。

3 三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用 隨著我國水利水電工程建設(shè)的規(guī)模越來越大，遇到的高陡邊坡等工程 問題也越來越多。這類邊坡多高陡險峻，目前的水電工程邊坡可達到數(shù)百

米甚至近千米，對于這類邊坡的地質(zhì)調(diào)查、測量工作難以開展，傳統(tǒng)的測 繪、地質(zhì)調(diào)查方法費時、費力、危險并有時很難得到令人滿意的結(jié)果。三 維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測、地形測量、工程開挖、數(shù)字地形建模、地質(zhì) 調(diào)查、減災(zāi)防害等方面的應(yīng)用，中、長距離三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā) 展，為高陡工程邊坡調(diào)查提供了一種新的解決辦法，是對傳統(tǒng)測量方法的 有益補充。

3.1 3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀測量 在地質(zhì)調(diào)查工作中，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀是最基本的地質(zhì)參數(shù)。但現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面尤 其是長大斷層，其產(chǎn)狀通常具有較大的變化，或由于某些地形因素一些重 要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀難以直接近距離量測。上述情形都使獲得結(jié)構(gòu)面的準確產(chǎn) 狀成為難題。三維激光掃描測量為這一問題的解決提供了有效手段。三維 激光掃描利用軟件中生成的擬合平面工具可以模擬地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，進而計算 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，其效果極為理想。 圖2 給出了激光掃描點云模型。 首先將要測產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面點云數(shù)據(jù)選中(見圖3)，然后利用軟件提供的 按選中點云生成擬合平面功能，生成一個平面(即模擬的結(jié)構(gòu)面)，接下來 顯示該平面在系統(tǒng)中的方程參數(shù)(見圖4)，即平面一般式方程為Ax + By + Cz + D = 0 (1)式中：A，B，C，D 均為參數(shù)，其中A，B，C 組成平面法向量 坐標n，即n ={A，B，C}。在掃描點云坐標系統(tǒng)中，y 軸與N 方向?qū)?yīng)，x n n 軸與 E 方向?qū)?yīng)， 軸為垂向方向， z 由此可求出相對準確的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀了。 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計算成果見表3。

圖2 激光掃描點云模型

圖3 選中結(jié)構(gòu)面

0 圖4 結(jié)構(gòu)面方程參數(shù)

3.2 3.2 高陡邊坡地表節(jié)理裂隙調(diào)查和輔助地質(zhì)編錄 西南地區(qū)高邊坡穩(wěn)定性評價中，通常會遇到由于邊坡過于高陡(甚至懸 崖)而人力難以企及的情形。在這種情形下，要查明邊坡的巖體結(jié)構(gòu)特征， 尤其是結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況是非常困難的。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，為這

一難題的解決提供了極為有效的途徑。

圖5 雅礱江上錦屏I 級電站進水口邊坡 雅礱江上錦屏 I 級電站右岸進水口上部邊坡(見圖5)呈現(xiàn)陡崖狀，高 近200 m，現(xiàn)場不具備攀爬條件，這為該部位的結(jié)構(gòu)面調(diào)查帶來了極大困難。 采用三維激光掃描系統(tǒng)開展地質(zhì)調(diào)查工作，獲得邊坡點云數(shù)據(jù)共由7 173 125個點組成。后期數(shù)據(jù)處理完成了點云數(shù)據(jù)的拼接匹配和大地坐標轉(zhuǎn)換。 在所獲得的掃描圖像中，對陡立邊坡坡表出露的長大節(jié)理裂隙進行統(tǒng)計， 其方法是在處理軟件Poly Works 8.0 的IMInspect 模塊中用polyline 線 將結(jié)構(gòu)面出露跡線描出，并量測出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀參數(shù)。 根據(jù)掃描數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查將節(jié)理裂隙按產(chǎn)狀分組(見圖6)，并將調(diào)查數(shù) 據(jù)導(dǎo)出到AutoCAD 等軟件中，其快速地質(zhì)編錄如圖7 所示。

圖6 點云數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀調(diào)查

圖7 快速地質(zhì)編錄AutoCAD 圖 除了高陡邊坡地表的地質(zhì)調(diào)查外，近年來在復(fù)雜地質(zhì)條件下進行高陡 邊坡開挖的工程實踐越來越多，作業(yè)面規(guī)模越來越大，開挖速度也越來越 快，這就要求對開挖工作面進行快速的地質(zhì)編錄，以滿足工程進度的要求。 應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)開展這方面的工作可以大大提高工作效率和精度。 在高邊坡開挖工程中，通過對整個開挖工作面的三維激光掃描，根據(jù)掃描 獲得的點云數(shù)據(jù)，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)面進行調(diào)查統(tǒng)計，可以利用上述結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀 量測和節(jié)理裂隙調(diào)查方法，由此得到開挖工作面巖體結(jié)構(gòu)的空間分布規(guī)律 和地質(zhì)幾何參數(shù)，并將統(tǒng)計結(jié)果導(dǎo)出到軟件AutoCAD 中，從而在工程施工 過程中實現(xiàn)快速地質(zhì)編錄。 4 適用性 由于三維激光掃描系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離非接觸測量，從而對于人員難 以企及和十分危險的地段進行測量具有明顯優(yōu)勢。另外，該方法突破了傳 統(tǒng)測量方式，從點測量發(fā)展為面測量，具有測量速度快、精度高等特點。 后期處理軟件功能強大，能滿足大部分測量工作需求，同時提供二次開發(fā) 功能，掃描數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換方便，輸出簡單、快捷，與常用軟件兼容性好。 三維激光掃描技術(shù)如同其他技術(shù)一樣，正在經(jīng)歷著一個產(chǎn)生→發(fā)展→成熟

的過程。

5 結(jié)語 三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)單點測量的數(shù) 據(jù)處理方法，為測繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向，其出現(xiàn)與發(fā)展是“繼 GPS空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新， 將使測繪數(shù)據(jù)的研究內(nèi)容、 方 法進入新的發(fā)展階段”。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域， 開展巖體地表出露結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)幾何參數(shù)調(diào)查和開挖工作面的快速地質(zhì)編 錄等工作，加深這些方面的研究工作，勢必為大型工程建設(shè)提供有效的解 決問題的新手段，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。



  本文關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。