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三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用

摘要：三维激光扫描技术广泛应用于工程建设与物体三维测量相关的众多领域，具有高效率、高精度的独特优势。目前，该项技术的应用在国内尚处于起步阶段，尤其是在地质和岩土工程领域。在对该项技术的总体情况进行简单介绍的基础上，结合工程实例，阐述应用该项技术解决高陡边坡调查中，关于边坡快速编录和岩体结构面参数测量的原理与方法，由此可以看出该项技术在地质和岩土工程领域的应用前景和价值。

1 引言
我国水力资源开发进入了一个迅猛发展的阶段。一系列在建或拟建的大型水利水电枢纽工程，其工程规模越来越大，涉及到的边坡开挖深度也越来越高。因此高陡边坡的稳定性问题成为制约工程建设可行性和运行安全的重要工程地质和岩石力学问题。在高边坡的稳定性评价中，分析的基础是对边坡地质结构条件的掌握和描述，而水电开发往往在高山峡谷中进行，山体雄厚，边坡陡峻，使得地质调查工作因人员难以企及而无法正常开展；另外，在工程建设期间，面对快速开挖形成的高陡边坡，必须很快完成相关的地质编录工作，而这不仅需要大量的人力投入，而且影响施工并给作业人员带来安全隐患问题。如何提高调查工作的效率和精度等，所有这些都需要在高边坡地质调查工作中引进快速、高效且对地形条件有很强适宜性的调查技术。
针对这一难题，国内外也曾开展了一些技术方法的研究工作，如数字摄影测量、数码像片解译等，在硐室围岩、边坡开挖等工程的地质编录与隧道、坡体变形监测等方面都有应用。这些技术方法都要对获取的图像进行处理，包括影像的畸变校正、几何校正、影像增强及影像镶嵌等程序。影响测量精度的因素较多，如数码影像畸变校正残差、数码相机内方位元素稳定性误差、相机外定向误差及作业条件下的诸多因素。这些技术的应用需要配合大量的现场测量工作，同时其技术上还存在一些难以克服的问题，因此生产实践中难以推广应用。三维激光扫描技术的诞生，为上述问题的解决提供了最为有效、实用和先进的技术手段。
三维激光扫描技术又称实景复制技术，能够完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据，其最大特点就是精度高、速度快、逼近原形。该设备可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。
三维激光扫描技术可以广泛应用于工程建设与物体三维测量相关的众多领域，包括土木工程、古建筑修复、文物保护、工厂改造、城市规划等，并具有高效率、高精度的独特优势。
三维激光扫描技术是目前国内外测绘领域的研究前沿，将这一先进的技术及时应用到高边坡地质调查中，对工程建设具有很强的现实意义。
在对三维激光扫描技术的总体情况进行简单介绍的基础上，结合工程实例，阐述应用该项技术解决高陡边坡调查中关于边坡快速编录和岩体结构面参数测量的原理与方法，该项技术在地质和岩土工程领域具有广泛的应用前景和很高的应用价值。

2 三维激光扫描系统简介
三维激光扫描系统是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据长距离影像的测量技术，它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型、复杂实体的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、体等各种几何数据，而且用所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作.

2.1 三维激光扫描系统分类
目前应用的三维激光扫描系统从操作的空间位置可以划分为3 类：(1) 机载型激光扫描系统；(2)地面型激光扫描系统，根据测量方式还可细分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统；(3) 手持型激光扫描系统。

2.2 地面型固定式三维激光扫描系统简介
地面型固定式三维激光扫描系统是目前最为常用的三维激光扫描装置。按照激光光束的发射方式、扫描成像方式及测距原理等还可以进行分类。
目前市场上的三维激光扫描仪种类繁多、性能各异、数据处理软件不尽相同，但总的来说，整个扫描及数据处理过程是相似的。

2.2.1 扫描
一般来说，由于扫描仪扫描范围的限制，三维激光扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描体的完整点云数据，反映一个扫描实体信息通常要由若干幅扫描才能完成。因此，扫描中要求相近场景的2 次扫描要有一定的重叠部分，以便在处理软件中对扫描得到的点云数据进行拼接匹配。故在扫描前应对扫描场地进行初步踏勘，合理设置仪器的架设方案。科学合理地架设扫描机位，对采集高质量三维数据、提高测量精度、全面反映场景细节有着十分重要的意义。

2.2.2 数据处理
对于激光扫描获得的点云数据都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系，亦即每次经扫描而得到的点云数据的坐标系是独立和不相关联的。但实际上每幅点云阵数据都是扫描场景的一部分，那么有必要将这些点云数阵据转化到同一坐标系里。所以要对得到的点云阵数据进行拼接匹配，其常规方法是利用选择两幅扫描图像的公共点(至少3 个公共点)的办法来实现拼接，选择完成后软件可自动完成匹配并可查看拼接匹配误差。这样便将各个扫描文件独立的坐标转换成为以导入拼接软件的第一幅点云数据的局部坐标为整个扫描场景的坐标。然后可利用现场测得的标志点( 3 个)的大地坐标对拼接好的点云数据进行坐标转换，以使扫描得到的点云数据与现实场景的方位、位置完全一致。
对获得的点云数据，根据需要可以进行长、宽、高、面积、体积等几何数据的量测；可以进行断面图、投影图、等值线图的生成；在地质调查应用中还可以获得扫描岩体的层面产状、危岩体的空间精确三维坐标等。点云数据的后处理还可将点云数据模型化生成三角面片，编辑生成的模型可以删除没必要的三角面片，弥补没有扫描到的漏洞，进行模型表面光滑、局部或全部三角面片的压缩等。该软件提供了大量常用的数据转换输出接口，可以轻松地将模型及量测数据转换成常用软件的格式，如AutoCAD 等。

3 三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用
随着我国水利水电工程建设的规模越来越大，遇到的高陡边坡等工程问题也越来越多。这类边坡多高陡险峻，目前的水电工程边坡可达到数百米甚至近千米，对于这类边坡的地质调查、测量工作难以开展，传统的测绘、地质调查方法费时、费力、危险并有时很难得到令人满意的结果。三维激光扫描技术在变形监测、地形测量、工程开挖、数字地形建模、地质调查、减灾防害等方面的应用，中、长距离三维激光扫描技术的出现与发展，为高陡工程边坡调查提供了一种新的解决办法，是对传统测量方法的有益补充。

3.1 地质结构面产状测量
在地质调查工作中，结构面产状是最基本的地质参数。但现场结构面尤其是长大断层，其产状通常具有较大的变化，或由于某些地形因素一些重要结构面的产状难以直接近距离量测。上述情形都使获得结构面的准确产状成为难题。三维激光扫描测量为这一问题的解决提供了有效手段。三维激光扫描利用软件中生成的拟合平面工具可以模拟地质结构面，进而计算结构面产状，其效果极为理想。
图2 给出了激光扫描点云模型。
首先将要测产状的结构面点云数据选中(见图3)，然后利用软件提供的按选中点云生成拟合平面功能，生成一个平面(即模拟的结构面)，接下来显示该平面在系统中的方程参数(见图4)，即平面一般式方程为Ax + By + Cz + D = 0 (1)式中：A，B，C，D 均为参数，其中A，B，C 组成平面法向量坐标n，即n ={A，B，C}。在扫描点云坐标系统中，y 轴与N 方向对应，x轴与 E 方向对应，z 轴为垂向方向，由此可求出相对准确的结构面产状了。结构面产状计算成果见表3。

图2 激光扫描点云模型

图3 选中结构面
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图4 结构面方程参数

3.2 高陡边坡地表节理裂隙调查和辅助地质编录
西南地区高边坡稳定性评价中，通常会遇到由于边坡过于高陡(甚至悬崖)而人力难以企及的情形。在这种情形下，要查明边坡的岩体结构特征，尤其是结构面的发育情况是非常困难的。三维激光扫描技术的应用，为这一难题的解决提供了极为有效的途径。

图5 雅砻江上锦屏I 级电站进水口边坡
雅砻江上锦屏 I 级电站右岸进水口上部边坡(见图5)呈现陡崖状，高近200 m，现场不具备攀爬条件，这为该部位的结构面调查带来了极大困难。采用三维激光扫描系统开展地质调查工作，获得边坡点云数据共由7 173 125个点组成。后期数据处理完成了点云数据的拼接匹配和大地坐标转换。在所获得的扫描图像中，对陡立边坡坡表出露的长大节理裂隙进行统计，其方法是在处理软件Poly Works 8.0 的IMInspect 模块中用polyline 线将结构面出露迹线描出，并量测出结构面产状参数。
根据扫描数据及现场调查将节理裂隙按产状分组(见图6)，并将调查数据导出到AutoCAD 等软件中，其快速地质编录如图7 所示。

图6 点云数据中的结构面产状调查

图7 快速地质编录AutoCAD 图
除了高陡边坡地表的地质调查外，近年来在复杂地质条件下进行高陡边坡开挖的工程实践越来越多，作业面规模越来越大，开挖速度也越来越快，这就要求对开挖工作面进行快速的地质编录，以满足工程进度的要求。应用三维激光扫描系统开展这方面的工作可以大大提高工作效率和精度。在高边坡开挖工程中，通过对整个开挖工作面的三维激光扫描，根据扫描获得的点云数据，对地质结构面进行调查统计，可以利用上述结构面产状量测和节理裂隙调查方法，由此得到开挖工作面岩体结构的空间分布规律和地质几何参数，并将统计结果导出到软件AutoCAD 中，从而在工程施工过程中实现快速地质编录。
4 适用性
由于三维激光扫描系统可以实现远距离非接触测量，从而对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势。另外，该方法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。后期处理软件功能强大，能满足大部分测量工作需求，同时提供二次开发功能，扫描数据格式转换方便，输出简单、快捷，与常用软件兼容性好。三维激光扫描技术如同其他技术一样，正在经历着一个产生→发展→成熟的过程。

5 结语
三维激光扫描技术是测绘领域的新技术，它突破了传统单点测量的数据处理方法，为测绘领域提供了一条新的研究方向，其出现与发展是“继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的研究内容、方法进入新的发展阶段”。将三维激光扫描技术应用到地质和岩土工程领域，开展岩体地表出露结构面的地质几何参数调查和开挖工作面的快速地质编录等工作，加深这些方面的研究工作，势必为大型工程建设提供有效的解决问题的新手段，三维激光扫描技术的应用前景十分广阔。

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