三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用
三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新興測繪技術(shù),該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)與物體三維測量等測繪及相關(guān)領(lǐng)域,具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。本文在介紹三維激光掃描儀的工作原理的基礎(chǔ)上,以邢臺峽谷群地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查為應(yīng)用研究對象。為了更夠在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前,對地質(zhì)敏感區(qū)域進行很好的預(yù)警工作。利用三維激光掃描設(shè)備能夠快速獲取現(xiàn)場高精度三維數(shù)據(jù),結(jié)合三維激光處理軟件,生成相對應(yīng)的地質(zhì)剖面圖、局部細節(jié)尺寸等信息,對應(yīng)急災(zāi)害提供精準(zhǔn)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程,它通過具有一定分辨率的空間點(坐標(biāo)x,y,z,其坐標(biāo)系是一個與掃描儀設(shè)置位置和掃描姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系)所組成的點云圖來表達系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描技術(shù)是將實體的三維復(fù)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(biāo)的點、線、面、體、空間等三維實測數(shù)據(jù)進行高精度三維逆向建模,又稱實景復(fù)制技術(shù)。
2.數(shù)據(jù)處理方法
為了能夠得到好的三維點云數(shù)據(jù)需要對采集的原始數(shù)據(jù)進行處理,數(shù)據(jù)處理通常包括各測站點云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等操作,數(shù)據(jù)拼接通過有多種方法,無目標(biāo)拼接、有目標(biāo)拼接以及采集過程實時自動處理拼接。
三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集及點云處理
1.項目概況
河北邢臺峽谷群國家地質(zhì)公園1:1萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查的測量工作,是依據(jù)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(zhì)公園1:1萬地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查設(shè)計書》開展工作的。測繪主要工作內(nèi)容為:①1:200剖面測量;②1:500剖面測量;③1:200立面測量。其中地質(zhì)剖面測量和立面測量工作主要是通過三維激光掃描設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集和處理,從而提交相應(yīng)的符合精度要求的成果數(shù)據(jù)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(biāo)系統(tǒng)引入到當(dāng)?shù)亟^對坐標(biāo)系統(tǒng)中,所以本項目在每個地質(zhì)災(zāi)害點布設(shè)圖根點1個,圖根點采用河北省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(HBCORS)。
2.設(shè)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(yè)數(shù)據(jù)采集
三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式具有更高精度、遠距離獲取等優(yōu)勢。本項目利用三維激光掃描技術(shù)進行地質(zhì)點三維點云數(shù)據(jù)的采集以及獲取,結(jié)合生成的地質(zhì)剖面模型進行了地質(zhì)點處地質(zhì)剖面和立面測量工作。首先,根據(jù)各地質(zhì)災(zāi)害點的區(qū)域大小、位置等情況,規(guī)劃掃描站數(shù)和需要測量的特征點,利用天寶SX10進行數(shù)據(jù)的掃描,采集點云數(shù)據(jù)和全站儀特征點數(shù)據(jù),內(nèi)業(yè)主要利用TBC、Trimble RealWorks軟件處理點云數(shù)據(jù),生成相應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害點的剖面線和立面圖等成果。
點云數(shù)據(jù)的采集分為準(zhǔn)備工作和掃描兩個階段。準(zhǔn)備工作主要是對現(xiàn)場進行踏勘,了解現(xiàn)場的具體環(huán)境,找出實地環(huán)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(shù)獲取所有的目標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)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(shè)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(yè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場
4.點云數(shù)據(jù)處理及分析
點云數(shù)據(jù)分析:由于地質(zhì)環(huán)境周圍的植被或人工建筑物以及天氣影像,點云數(shù)據(jù)存在少量系統(tǒng)誤差和噪聲,不能直接使用且點云數(shù)據(jù)量大,會消耗巨大的存儲空間,因此需要對點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)分開來,將不連續(xù)、變化大的點云數(shù)據(jù)看作噪聲,而將連續(xù)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(shù)據(jù)的特征信息,但在點云數(shù)據(jù)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(gòu)建,使模型表面的曲面保持連續(xù)性。本項目根據(jù)點云數(shù)據(jù)情況,采用雙邊濾波算法進行點云去噪,通過將點云數(shù)據(jù)利用TBC導(dǎo)出LAS格式后導(dǎo)入Trimble Real Works中進行點云處理,Trimble RealWorks是專業(yè)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(shù)據(jù)簡化:點云數(shù)據(jù)具有海量數(shù)據(jù)的特點,其采集原理是以所需精度為間隔進行點云數(shù)據(jù)采集,這也造成了在地質(zhì)剖面上曲率較小的位置點云數(shù)據(jù)冗余的現(xiàn)象,因此需要對點云數(shù)據(jù)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(qū)域的點云數(shù)據(jù),以保證點云的細節(jié)特征,利用Trimble RealWorks具有的獨特算法通過減少曲率小的區(qū)域的點云數(shù)據(jù)的方式來減少數(shù)據(jù)冗余。
Realworks對曲率大的區(qū)域進行點云處理
表面模型生成:數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC可得到點云數(shù)據(jù),利用Trimble RealWorks軟件自動分類地面、建筑物、電線桿和標(biāo)志、高植被。軟件可以通過對應(yīng)的算法剔除周圍的雜點,根據(jù)效果抽稀點云。在剔除植被、地物等非地貌部分點云數(shù)的基礎(chǔ)上,利用Trimble RealWorks基于點云數(shù)據(jù)生成三維模型,并對有問題的部分進行修改編輯。
數(shù)據(jù)成果生成:在Trimble RealWorks軟件中,根據(jù)實際項目需求,進行相應(yīng)位置和區(qū)域的地質(zhì)剖面線和立面圖的生成,并可根據(jù)現(xiàn)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(yīng)誤差檢核工作。Trimble RealWorks數(shù)據(jù)處理軟件可以將剖面線、立面圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CAD(DXF/DWG)、GIS(SHP) 等格式的數(shù)據(jù)成果。
對處理好的點云數(shù)據(jù)進行剖面切割
測量過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題及處理情況
由于項目區(qū)域位于都位于山區(qū),測量時間為初夏,山區(qū)存在很多樹木、草叢等植被,SX10外業(yè)掃描時也會把這些植被掃描進行來,這就需要內(nèi)業(yè)處理時剔除這些植被和草叢數(shù)據(jù),否則會影響剖面線和立面圖等數(shù)據(jù)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(yīng)數(shù)據(jù)成果的生成,并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)成果精度檢驗。
結(jié)語
本項目通過利用三維激光掃描技術(shù)獲取到地質(zhì)區(qū)域的高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù),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(xiàn)狀,通過對典型區(qū)域進行處理分析,進行地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重性的預(yù)判和應(yīng)急處理。三維激光掃描技術(shù)具有絕對的先進技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力,這種數(shù)據(jù)獲取方法具有無需事先埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備、非接觸測量、作業(yè)速度快、測量精度高,能夠及時的反應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)域的總體形態(tài),比較適合大型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測,具有一定的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
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