三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用

许潜金

（湖南省地质调查院，湖南 长沙 410000）

三维激光扫描技术是在GPS技术基础上的重大突破，通过应用激光扫描方式进行大面积扫描，即可获得测量对象三维坐标数据。在地质地形测量中，常用测量技术类型包括GPS-RTK技术、数字摄影技术等，工作量较大，有些勘测区域地形条件比较复杂，因此适用性比较低。通过应用三维激光扫描技术，即可对地标店进行高精度、高密度测量，进而缩短外业工作所需时间，提高测量效率。因此，对三维激光扫描技术在地质地形测量中的应用方式进行深入研究意义重大。

1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪是由反射棱镜、测光测速仪所组成的，其中，激光发射端可应用激光测距仪，在发出激光后，通过发射棱镜进行反射，再利用测距仪测量扫描点位斜距，在此基础上加入扫描点水平方向角度、垂直方向角度，将其作为运算参数，即可对扫描点、测量点坐标参数进行准确计算，同时还可获得测量对象三维坐标。在利用三维激光扫描仪获得测量数据后，即可利用扫描平台对地形参数进行计算。

在地形地质测量中应用三维激光扫描技术，可采用地面型激光扫描系统，其是由摄像设备、激光发射设备、电源以及软件系统所组成的，通过发射激光，可对被测目标距离进行测量，再获得测量数据后，利用相关软件进行计算，将计算结果与摄像设备所得图像进行有效结合，即可保证计算结果准确性，最后，通过应用制图软件完成图像处理，即可获得准确的坐标参数。在地形地质数据采集分析中应用三维激光扫描技术，所得坐标参数准确详细，并且数据输出格式比较多，能够与各类系统进行兼容，扩大测量数据应用范围。

2 三维激光扫描系统特征

三维激光扫描系统是由激光扫描仪、摄影设备、数据处理平台、软件控制平台以及各类附件所组成的，能够将多种高新技术进行有效结合。在三维激光扫描技术的实际应用中，只需经过较短时间，即可获得目标区域详细的三维立体数据，并创建三维模型，工作形式如图1所示。三维激光扫描技术的应用优势包括以下几点：

（1）快速性。在三维激光扫描技术的实际应用中，可在较短时间内获得大面积测量目标的空间信息数据，并对大量数据进行采集和分析，进而获得测量对象立体信息。

（2）非接触性。在利用三维激光扫描技术对勘测目标进行扫描测量时，无需接触测量目标即可获得测量对象实体三维坐标数据，并根据测量结果重构测量对象原形。

（3）三维激光扫描系统外置数码相机能够协助扫描工作，并同步实施监测、摄影、数据编辑等操作，在二维环境、三维环境的基础上，可以真彩色形式显示点云数据。

图1 三维激光扫描现场工作形式

3 三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用

3.1 数据采集

在地形地质测量中应用三维激光扫描技术，工作人员首先需采集野外数据，对测区范围内的环境特征进行全面细致的考察，根据实际情况确定测站数、标靶以及扫描仪的设置位置，保证扫描站所得数据能够反映出测量范围，并且在测量过程中尽量减少测站数量，减少原始数据量。另外，在数据采集过程中，还应同步获取纹理数据、点云数据，再对测量数据进行匹配处理，并根据比例尺设计要求选择适宜的数据精度，逐站完成扫描。数据采集工作流程如图2所示。

图2 数据采集工作流程

3.2 数据预处理

在激光点云数据处理中，关键工序包括点云匹配、噪声消除处理、数据分隔、坐标、图像匹配等，各站点扫描仪在扫描过程中，能够获得大量点云数据，并据此完成数据匹配，将所有数据统一至坐标系中，对扫描对象进行建模，数据处理流程如图3所示。数据匹配方式有两种：

（1）对于扫描过程中所获得的同一种规则和形状的目标匹配公共坐标点，对于多站点的点云数据，统一至坐标系中。

（2）根据GPS测量所得站点坐标，将所有点云转换至固定的地理坐标系统中，确定点云真实位置，便于进行后期处理。在配准完成后，可应用手工点云选择方式消除噪声，常见噪声来源包括电线杆、建筑工程、空气中的漂浮物等等。在消除噪声后，即可针对处理的点云进行分割，针对目标对象建模，进而获得清晰纹理招聘，再与点云配准，即可获得测量范围内地形地质的纹理信息。

图3 数据处理工作流程

3.3 生成等高线

为了能够获得准确的地形地质测量数据，在三维激光扫描技术的实际应用中，需增加扫描密度，在地形测绘中点位密度比较大，并且分布形式不均匀。对此，可采用扫描点创建三角网追踪等值线，在此过程中，所需处理的细节信息比较多，因此，可能会出现等高线混乱的问题。对此，应去除非地形地貌因素的点云数据，并根据地形地质测绘实际需要适当细化密度，再将所有数据导入数字测图软件，即可形成等高线。

3.4 编辑地形图

在地形图编辑过程中，可将等高线、地物图形进行叠加处理并编辑，去除地物部分数据，避免等高线缺失或者扭曲。对于照片以及点云数据，需做好手动修改处理，同时还应增加高程标记，进而形成图廓，对局部进行修饰处理。

4 三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用

4.1 边坡破坏测量

边坡的作用在于保证地面结构稳定性，因此对边坡结构进行测量至关重要，有些边坡结构已发生破坏，必须及时进行全面测量，全面了解边坡结构实际情况，据此制定防护措施，避免发生边坡灾害。在边坡结构测量中，可应用三维激光扫描技术，全面收集边坡地形数据，再利用扫描处理软件进行数据处理，创建边坡三维模型。在完成边坡建模后，即可对边坡模型以及测量数据进行分析，据此合理评估边坡灾害情况，并制定有效的预防处理方案，及时做好边坡加固处理。

4.2 地形测绘

地形地质测量工作的主要目标是确定测量区域范围内的地理情况，在获得测量数据后，据此绘制地图。在高比例尺地图测绘中，通过应用三维激光扫描技术，能够有效提高测绘工作效率。在三维激光扫描技术的实际应用中，首先需进行全面扫描，在扫描工作开始前，对测量区域进行分析，根据激光扫描仪使用性能确定扫描仪安装数量以及点位分布形式。在扫描仪安装完成后，根据地形图比例尺要求调整扫描仪分率。在对测量区域进行扫描时，需根据现场实际情况对扫描站点位置进行适当调整，保证扫描仪与点位进行有效结合，将测量数据转换为地理坐标。在地形地质数据测量完成后，对于所有数据，需转换至地理坐标中，保证能够有效识别。在坐标转化中，可采用激光扫描系统中的Cyclone软件，对于所有数据，可同时完成转化，进而获得直观的数据模型。另外，还需创建TN格。在收集获得测量数据后，数据量大，少量为无效数据，对此，测量人员需利用软件处理无效数据，然后形成TN网格，在网格创建完成后还需做好优化处理。最后，确定等高线，测量人员只需通过软件，输入等高线之间的距离，即可在地形图的基础上获得等高线，进而完成地形图测绘。

4.3 地质裂缝勘察

在地形地质勘察中，为了了解地震断裂带实际情况，需对对地质裂缝进行测量和分析，通过应用地质探槽技术即可获得裂缝数据。在地质探测中，可应用三维激光扫描技术对勘察区域进行扫描和拍摄，扫描仪中的照片能够与点云数据进行有效结合，将点云数据转变为实物色差。另外，测量人员还可对点云数据进行测量，并通过三维处理软件进行数据处理和分析，采用Geomagic软件完成点云数据处理，并形成高精度网格模型。

4.4 地质露头测量

通过应用三维激光扫描仪，可对地质露头层进行测量，进而获得露头层详细数据，据此绘制三维模型，测量人员在模型基础上即可对地质结构进行分析，同时地震预测专家也可据此合理预测地震灾害。在地质露头层勘察中，勘察人员野外作业量大，工作环境比较复杂，而通过应用三维激光扫描技术，只需应用高分辨率扫描仪，即可远程获得详细的三维数据，在对测量数据进行处理后，创建探头层三维模型，能够有效提升地质勘察效率。

5 结语

综上所述，本文主要对地形地质测量中三维激光扫描技术的应用要点进行了详细探究。随着测量行业的快速发展，逐渐涌现出很多技术类型，而三维激光扫描技术的应用优势明显，能够获得准确的测量数据，提高测量工作效率，同时还可降低勘测成本。因此，在地形地质测量中，应推广应用三维激光扫描技术。