三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的运用研究

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　　摘  要：三维激光扫描技术是一种自动化的地形、地质测量方式，近些年来发展日益成熟，在地质测绘和工程测量当中的各个领域都有着比较广泛的应用。基于此，本文主要分析三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中应用的价值，分析目前地质测绘和工程测量的发展方向，并应用三维激光扫描技术提高地形地质测量的效率和精度。
　　关键词：三维激光扫描技术;地质测绘;工程测量
　　中图分类号：TU990.3    文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00
　　0 引言
　　 三维激光扫描技术相对于传统的测量方式，在精度上、操作效率上都有着非常明显的提升，尤其是应用在地质测绘和工程测量当中，可以发挥非接触测量、设站灵活、测量点间隔精、准扫描速度快的优势，降低地质测绘和工程测量的时间，提高实际的测量精度，为后续的工程开展提供更加准确的数据支撑。
　　1 三维激光扫描技术应用在地质测绘与工程测量当中的价值
　　 三维激光扫描技术至今已经有15年的发展历史，随着技术水平的不断提高，先进仪器设备层出不穷，各行各业的人员都应用这种技术，进行工作方式上面的升级。相对于传统的，扫描技术来说，这种三维激光扫描具有以下几方面的优势：
　　 （1）扫描速度快。相對于传统的激光扫描，速度可以提高700%-1200%，速度可以提升到每秒几十万点。这种快速的扫描作业可以尽可能缩短工作的时间，对于一些野外作业环境来说，缩短时间就意味着提高安全性、降低成本。
　　 （2）一体化程度高。传统的扫描方式主要是分体式扫描，而目前的三维激光扫描技术属于整体、集约化扫描，不论是从扫描仪的内置分辨器、高精度的触摸内置板，还是数据的存储装置，都被整合到了这个小体积的三维激光扫描仪器当中，便于野外工作人员的携带、测绘、迁移和操作。很多三维激光扫描仪可以充电，不需要额外的外部电缆，就可以进行测绘。
　　 （3）全视角展现。相对于传统的扫描仪，目前的三维激光扫描技术是全视角的，可以对全景观进行优化扫描，一方面，这种全视角的扫描方式工作更加灵活，效率也更加高，突破传统场景限制，达到更加理想的扫描效果。减少多层次扫描的工作需求，只用一次操作就可以达到高精度的扫描标准。另一方面，通过这种全视角的扫描工作，可以尽可能减少扫描站点安排数量，降低测绘观测的工作量，避免不必要的失误，或者工作人员在安放扫描架过程当中出现危险。
　　 （4）扫描精度高。相对于传统的测绘扫描装置来说，三维激光扫描技术精度可以达到1mm，这个精度提高了200%。这种提升直接的结果就是测绘人员可以应用更加准确的数据，来进行地形地质测量与工程测量，缩短扫描点之间的间隔，使得全时段监控以及无线测量成为可能。同时，拥有这种高精度的扫描技术，可以展现建筑空间结构地质结构、地层地形当中的一些内部空间，相当于一双精准的眼睛进入到这些结构当中，进行无差别的图像输出[1]。
　　2 三维激光扫描技术的后期数据处理
　　 在获得相应的想到数据之后，还需要通过软件来对数据进行可控处理，而基于电脑计算机技术的处理，可以显著提高三维激光扫描的全面性及一体化程度。
　　 第一，应用大数据技术进行软件算法的改进，可以将存储和处理的数据规模拓展到十几亿点，这种全时段的数据处理可以对更大区间内的扫描数据进行判断，通过精准的扫描来丰富地质测绘的功能。
　　 第二，应用大数据进行技术处理，可以对工程测量当中的管道碰撞、建筑信息模型、地质地层形态、地形变化情况进行二维特征线条提取。从目前的应用情况来看，三维激光扫描技术已经普遍应用在考古、文物保护、工程设计、检测、地质桥梁测量、建筑工程地形测绘地质研究当中。在未来，随着人工智能技术、大数据技术以及物联网技术的发展，三维激光扫描技术还将有着更广泛的应用空间[2]。
　　3 三维激光扫描技术的具体应用
　　3.1 在地质测量当中的应用
　　3.1.1 边坡安全监测
　　 三维激光扫描技术应用在边坡地形监测过程当中，可以对地震造成的边坡破坏进行深度的分析，尤其是对于一些地震、滑坡、泥石流造成的二次危害，进行有效的预防。
　　 首先，技术人员可以通过三维激光扫描仪，对于发生地质灾害之后的地形变化进行测绘，尤其是对于一些不稳定地区的破坏前兆进行把握，通过危险评估数值的获取，来进行精准的数据分析。
　　 其次，在获得相关的地形数据之后，可以应用后期处理软件，快速的构建一个dem模型，再连接Tim网络数据，对于不同层次的地形结构进行点位分析，这种软件处理的高效化建设，可以形成一个整体的数字高程建设模型，通过坐标的实时转换等等，对于点位数据进行系统性分析。
　　 最后，获得边坡安全监测数据之后，可以通过平面图的重合比较、等高线的重合比较、断链层的重合比较、断面图的差分比较等等，对位移量进行精准的测绘。运用该种方式，技术人员可以通过加固方案设计、边坡灾害对策以及全时段的安全监测等等，对应急指挥部门的救灾抢险进行指导。相对于传统的扫描技术来说，这种边坡安全监测灵活性更高，测量的效率更高，直接转化效果更好。
　　3.1.2 地质露头研究
　　 应用三维激光扫描仪，可以对地质露头的程序进行相关的探测，尤其是建立三维组团模型，对于一些浅层的地质灾害进行有效地预防。例如在玉树地震的过程当中，应用这种三维扫描仪技术，就可以对二次余震进行深化研究。
　　 同时应用该种三维激光扫描技术，还可以对深层矿藏进行有效的分析与探测，通过物探技术形成内置相机，获得地下矿产的高清影像数据分析结果，并且应用后期处理软件等等，通过色彩对比、明暗对比，例如marsh分析模型，可以对矿产的三维空间——点、线、面进行全面的信息体现。在矿产分析的过程当中，三维激光扫描仪可以实现非接触、高精度、高分辨率的有效测量，尽可能减少野外工作人员接触到一些有毒有害的物质，提高工作的完整性以及安全程度。 　　3.1.3 地形测绘
　　 相对于传统的扫描地形测绘来说，三维激光扫描仪联合后期的大数据处理软件，仅通过几个简单的步骤，就可以获得很高比例尺的地形圖。
　　 第一，通过数据点位扫描，对各个扫描仪的站点进行数据联动分析，设置有效的分辨率之后，就可以自动获取点赞上传的数据，再通过扫描把的控制，协调好地理坐标的约束关系，就可以准确获得高比例尺的地图。
　　 第二，技术人员应用大数据的转换连接系统，在地理坐标上将获得好的比例尺地图。进行多站点扫描，再利用软件拼接，将不同层次的地理坐标拼装在一个地图当中。这种简便的拼装方式可以形成一个统一的坐标系，再通过软件的tin网络连接功能，对于植被或者建筑进行有效地剔除，最终形成一个高精度的tin网络。
　　3.1.4 地质裂缝研究
　　 三维激光扫描技术应用在地质裂缝研究当中，可以更好地把握裂缝的深度、广度、地质槽的发展方向，尤其是对于周围存在的地质断裂带进行精准的分析，对未来地质裂缝的走向进行精准的预判，方便政府部门进行转移安置，减少地质灾害对人们生产生活造成的影响。例如通过三维激光点阵扫描技术，就可以对地层情况、地质裂缝的三维形状进行全息记录，在元数据处理方面，通过高清晰的照片，对云的点位差、数据多线图进行整合分析，再通过虚拟测绘功能，应用后期扫描处理软件，进行高精度的三角网膜制作。
　　3.2 在工程测绘当中的应用
　　3.2.1 外业数据采集
　　 应用三维激光扫描技术，可以通过莱卡hd8800等代表性的三维激光扫描仪器，进行平整功能测算，在已经架设好的全息投影仪上开展外业数据采集功能，获得真实的点云坐标。
　　 首先，技术人员在测量之前，要对周围环境进行有效的监察以及布控，并结合实时定位系统，例如GPRS、rtkey或者全站仪，来对工程的高程点线位置进行水平方向的测量，处理好不同站点之间的坐标关系。
　　 其次，在进行外业测量的过程当中，要选择合适的间隔，并测定好扫描的开始点，如果间隔得过大，可能就会对扫描的精度造成一定的影响，如果间隔的过小，那么采集到的点位过多，也会给后期的数据处理带来一定的麻烦，延长采集的时间。一般情况下，如果工程体量正常，那么设置每80米一个扫描测绘点就可以保障良好的扫描效果。
　　3.2.2 内业数据处理
　　 在外业数据生成之后，技术人员可以获得大量的三维点率数据，当然这些数据当中会包含着一些无效信息，例如建筑工程当中的一些树叶、风沙和车辆等等。通过内业信息处理就可以对这些噪声数据进行有效的过滤，构建一个完整的点云信息网络。
　　 一方面，技术人员可以对点云数据进行拼接处理，例如利用CTK等常规的工程测量手段，对于道路、桥梁、交通、地下管道等工程进行点位描绘，再接到控制点坐标上，通过这种测量数据的综合方式进行多站点的转化，从而降低传递误差，提高整体的测量测绘精度。
　　 另一方面，技术人员要对有效数据进行过滤，避免三维扫描机获得的数据受到行人、植被、水流等复杂因素的影响，产生更多的噪点，只有进行过滤控制，剔除一些错误的数据，才能够获得比较高精度的数据延伸图。
　　 除此之外，技术人员在获得点云数据之后，还要通过三维离散点的控制分析，将获得的不联系的数据进行三角网络展现，最终生成等高线。并结合建筑信息模型技术等等，在这些生成的网络结构当中插入一些具有设计桩号的道路设计中线。从而方便技术人员根据设计方案，进行整体的工程因素探讨，对中线断面、间距和横断面宽度进行测绘分析，最终生成比较满意的数据测量结果[3]。
　　4 结语
　　 综上所述，三维激光扫描技术是一种比较先进的空间数据获取技术，精度高、速度快、应用方便、可操作性强，具有广阔的发展空间。从本文的分析可知，研究三维激光扫描技术的应用，有利于我们分析目前工程测绘、地质测绘当中的难点问题，提高测量的精度。因而我们要加强系统性研究，从问题角度促进技术的升级，不断探讨技术的优化利用。
　　参考文献
　　[1] 马奔.基于三维激光扫描的BIM技术在地下综合管廊中的应用[J].水利科技与经济，2019，25（10）：84-88.
　　[2] 王英汀，袁长丰，陈秋汝.三维激光扫描技术在隧道相似模型表面变形应用[J].低温建筑技术，2019，41（10）：101-104.
　　[3] 许良梅，王友光，田朋飞.三维激光扫描技术在施工精准控制中的应用与研究——以装配式钢结构建筑为例[J].安徽建筑，2019，26（10）：118-119.
　　收稿日期：2019-11-03
　　作者简介：王惟一（1988—），男，安徽无为人，本科，测绘工程师，研究方向：工程测量、地质测绘、地籍测量等。

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