地质环境治理中三维激光扫描技术的应用

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【摘要】利用拓普康GLS-1000型激光扫描仪对长屿硐天局部区域扫描得到点云数据。并对点云数据进行三维坐标校正、拼接、去噪处理，最终利用逆向工程技术软件（GeomagicStudio）进行三维建模。为地质环境治理、危岩评估和处理、景观设计提供三维模型及相关数据。

【关键词】三维激光扫描技术;点云;坐标;校正;三维建模

1.引言

三维激光扫描技术（3DLaserScanningTechnology）采用非接触主动测量方式迅速地获取物体表面大量采样点高精度三维空间坐标，快速地将物体表面的信息转换成可处理的三维数据。近几年在古建筑保护、变形监测、地质环境治理、景观和佛像三维建模等方面得到了广泛的应用。本文以其在长屿硐天地质灾害治理中的应用为例进行探讨。长屿硐天坐落举世闻名的“石板之乡”浙江省温岭市长屿镇境内，为省级风景名胜区，是全国规模最大的人工开凿石硐风景区，2004年4月被国家旅游局评为国家AAAA旅游区，2005年被评为世界地质公园。为了扩大景区规模，打造国内一流景点，需对长屿硐天花居硐群、华玄硐群等区域进行开发利用。硐内光线微弱，削壁成廊，天窗顶空，石架悬桥，层叠有致，变幻莫测，宛若迷宫，地质环境极为复杂。常规的测量手段难以为地质环境治理及景观设计提供精准的数据。最终采用了三维激光扫描技术对硐群内的部分区域行了三维扫描并建模，为地质环境治理、危岩评估和处理、景观设计提供三维模型及相关数据。

2.点云数据的获取

2.1控制测量

硐群面积较大内部结构错综复杂，对整个硐群进行三维建模不仅费时费力成本巨大而且将整个硐群数据拼到一起其数据量是海量处理起来极其困难。因此我们选取典型的硐室大厅及需要进行地质灾害处理的区域进行扫描。为了保证各扫描区域纳入到统一的坐标系内，我们对整个硐群进行了控制测量。控制点使用1″级全站仪按导线测量方法施测，临近控制点相对位置点位中误差控制在±3cm以内。

2.2三维激光扫描

(1)扫描仪型号及技术参数

三维激光扫描仪选用拓普康公司GLS-1000型激光扫描仪，此扫描仪扫描镜为摆动扫描镜。扫描仪技术参数如表1所示。由上表1可知，GLS-1000型激光扫描仪测量距离较长，视场范围也比较广，尤其是单点定位精度150米仅为±4mm，完全能满足测绘精度，最高扫描速率能达到3000点每秒，这是普通测量方法遥不可及的一个数据量。

(2)点云数据采集

将扫描仪固定在三脚架上，扫描仪与计算机连接进入到计算机控制模式以实现全程可视化扫描，三维可视化扫描不仅给操作人员带来了便利，也在很大程度上保证了工作质量和效率，减少了返工率，并且海量数据可直接存储至计算机。利用扫描仪传到计算机的实时影像精准确定扫描范围，再根据工程需要设定采样间隔。硐群内有些区域漆黑一片完全处于黑暗状态，三维激光扫描仪不受光线条件影响的优势，在此工程得到了充分的发挥。在光线较好区域扫描时选择拍照、扫描同步模式，这样不仅采集了扫描对象的三维坐标同时也获取了影像信息。把影像中颜色属性附着到点云中使点云更具可视效果，为后续的数据处理及建模提供了重要参考。具体效果如图（1）所示。GLS-1000型三维激光扫描仪的视场范围为360°×70°，当仪器水平架设是它的上下摆动角度为±35°。在+35°—+90°和-35°—-90°之间是视场盲区。硐群内空间狭小，设站点到扫描目标间的水平距离不超过40米，因此高于仪器28米（tan（35°）*40）的目标物将无法扫描。此时就要用到倾斜支架，GLS-1000型三维激光扫描仪倾斜可以使仪器倾斜扫描（倾斜角度为15°—90°每15°为一档）。通过倾斜扫描可将GLS-1000型三维激光扫描仪的视场范围扩大到360°×360°基本无盲区。但使用倾斜支架会将支架误差累积到扫描误差中，为消除此项误差，不同站点扫描时均应扫描3个以上靶标，作为内定向标志物。

3.扫描数据处理

三维激光扫描数据处理总体可分为四个步骤：点云坐标定向校正、点云数据优化、点云数据拼接及三维建模。

3.1点云坐标定向校正

前文讲到三维激光扫描仪所采集的三维坐标数据均是以其自身坐标系为依托进行采集和存储的，要得到我们所需要的统一的国家或地方坐标系数据要进行坐标定向校正。点云坐标定向校正一般用拓扑康GLS-1000扫描仪自带处理软件（TopconScanMaster）来处理。把仪器测站坐标系中的数据归算到我们所需要的统一的国家或地方坐标系数据称为绝对定向。在TopconScanMaster软件中绝对定向基本步骤如下：①把扫描的靶标生成联结点；②输入各靶标点的实际坐标；③建立各联结点坐标与各靶标的实际坐标的一一对应链接（即找共同点）；④注册点云数据。完成以上四个步骤后，点云坐标已被校正。绝对定向完成后应验证其定向精度，在实际作业中一般通过扫描3个以上靶标来验证其定向精度，或采用多个靶标进行平差定向来保证其精度和可靠性。

3.2点云数据优化

点云数据优化主要是删除冗余数据及重采样和去噪处理。这个过程同样在TopconScanMaster软件中进行。点云的冗余数据主要是指目标扫描对象以外的点云数据，例如遮挡扫描视线的植被或其他杂物的点云坐标信息就属于冗余数据。冗余点云数据的删除是一个复杂的过程，目前还没有完全实现智能化删除或提取点云，还需要人工干预的方法来解决。人工干预的方法有几种，通常主要借助点云的颜色信息，根据颜色来判别点云是否属于目标扫描对象，然后进行取舍；还有就是根据点云的位置信息判断点云之间是否连续是否属于同一个对象；另外就是根据工作记录和现场获取的照片信息进行综合取舍。

3.3点云数据拼接

通过定向、优化后的数据实际上已纳入到同一个坐标系中，把同一扫描目标中不同测站数据拼到一起理论上重合扫描区域应该能完全融合。可实际上由于各种误差存在如仪器扫描误差、靶标坐标测量误差、仪器系统差以及人为因素造成的误差使得拼接后的数据可能存在偏差。在这类工程项目中，点云数据点之间的间距一般控制在5—10cm左右，如果测站间误差超高2倍点间距，在三维建模时在测站重合扫描区域会出现双层面现象。测站间数据拼接一般分以下几种情况处理。(1)测站间误差小于1倍点间距时，可适当放大重合数据的范围，进行直接数据融合不做任何处理。(2)测站间误差大于1倍点间距而小于2倍点间距时，可适当减小重合数据范围。并对重合区域的数据进行重采样和去噪处理，使其建模达到最佳效果。(3)测站间误差大于2倍点间距时，就要对重合区域进行精细化重采样和去噪处理。或者采取人工干预处理。人工干预方法主要有两种：一是通过重合区域的特征点对其中一个测站的数据进行平移和旋转，并对处理后的重合区域再进行重采样和去噪处理。二是强行删除效果较差测站的重合数据，使测站数据间留出一条缝隙，再建模时进行人工修补。如果测站间误差超过2倍点间距时，就属于误差超限，应进行重新扫描。保证测站间数据的精度和可靠性是至关重要的，在作业前一定要有相关措施。①确保控制点的成果精度可靠性。②仪器扫描靶标后需对扫描精度进行评估，最好通过扫描多个靶标进行平差定向。③在重合区域的扫描面上设置一次性靶标，数据拼接时根据重合靶标进行拼接。

3.4三维建模

三维建模是扫描数据处理的重要环节。GTS-1000型激光扫描仪自带处理软件TopconScanMaster并非专业工程软件，无论是处理速度还是建模效果上都不太理想。特别是对于复杂的硐群崖面根本无法处理。最终选用了GeomagicStudio逆向工程应用软件作为建模软件。GeomagicStudio具有强大的建模功能，在逆向建模工程领域已得到广泛应用。该软件遵循点阶段—多边形阶段—曲面段的三阶段作业流程，可以轻而易举地从点云创建完美的多边形模型和样条四边形网格，并转换为NURBS曲面，建模效率高；同时还提供多重三维输出格式，方便与多种实体造型软件接口。本工程主要采用三角网法进行建模（GeomagicStudio软件中称为“封装”）。软件导入点云数据后先对点云数据进行减少噪音、重新采样处理。减少噪音处理主要是消除扫描目标表面明显的噪声点，使其表面变得更加平滑。重新采样则是根据工程需要重新设置点云数据的间隔，在保证扫描目标真实性的前提下减少数据量。减少噪音、重新采样处理完成后设置合理的参数进行封装处理。封装的速度视其点云数据大小和封装对象复杂程度而定，几十万个点能在10—20分钟内完成。封装后能得到基本三维模型。得到基本三维模型后，使用GeomagicStudio软件相关功能对模型进行进一步处理，模型中间的空隙还要按曲率进行填充修补，最终获得与实际最接近的完整的模型。图3为软件处理后的最终效果图。

4.结论与体会

三维激光扫描技术来开展人工开采矿山的测量工作，为我们提供了可靠、快速、精准、安全的技术解决方案。通过对长屿硐天部分区域的三维激光扫描及建模为地质环境治理、危岩评估和处理、景观设计提供三维模型及相关数据。三维激光扫描技术在很多领域都得到了应用，但真正要应用到生产实践中像仪器扫描速度、数据的融合拼接、专业软件的开发利用等方面有待于更深入的研究。

参考文献:

[1]三维激光扫描测量技术探究及应用中国测绘报2008-07-02

[2]徐进军,张民伟.地面三维激光扫描仪:现状与发展[J].测绘通报,2007

[3]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备,2008.2

[4]成思远、谢韶旺.GeomagicStudio逆向工程技术及应用.清华大学出版社,2010.10

作者:赵辉 黄娜