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三维激光扫描技术在地质方面的应用

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第   1  页   共   19  页  三维激光扫描技术在地质方面的应用研究 中翰仪器有限公司 2009 年 5 月 15 日 天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   2  页   共   19  页  前 言 80 年代以来随着我国经济的蓬勃发展、综合国力的不断提升,基础工程建设全面展开,水利水电工程、高速公路、铁路、桥梁、隧道工程进入了一个迅猛的发展时期,由此引发的一系列工程地质问题也日益突出,工程地质勘察工作凸现出任务重、时间紧、难度高等特点。  在工程建设期间,面对快速开挖形成的高陡边坡,也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,而且影响施工进度并带来作业人员的安全隐患问题;还有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。  针对以上这一系列难题,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、数码像片解译等工作,由于这些方法存在大量技术上难以克服的问题,生产实践中难以推广应用。三维激光扫描技术的产生,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。  岩体结构理论及应用 作为人类工程活动中逐步发展起来的工程地质科学,其结构理论也是逐步发展完善起来的,而结构面信息采集技术上或者在已有的工程地质技术加以改造,或者对相关的其他工程应用技术的借鉴和交叉,而达到本领域技术发展。  当前结构面信息采集常用的技术方法主要有三类:  1)钻孔定向取芯技术和孔内照相技术:二十世纪 60 年代金刚石小口径钻孔已逐步发展成熟,成孔过程中在孔底原位应用专业钻具,在能获得的端面整齐的岩芯上做标记,再配合孔斜数据可求解该段岩芯上的结构面的空间展布信息。孔内照相通常也适用于金刚石成孔等孔壁完整的钻孔, 其孔内专用相机本身可以定位再配合孔斜数据可以求解结构面的产状。  2)摄影测量技术:摄影与测量技术交叉始于 第一次世界大战,真正的大发天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   3  页   共   19  页  展是在二战, 通过航片仅仅了解敌方概况已不能满足指挥官了解特定目标精确信息的要求,故结合测量基本原理的航片解译在实际应用中逐步发展完善,战后随着卫星上天,摄影测量进一步完善起来,并有专业的解译仪器出现。依托这些技术和设备, 人首次应用摄影、摄像图片解译节理的走向和迹线长度。  3)人工测量法:即通过人工逐一量测、调查 采集结构面信息,是当前最常用、最为可信的方法。因工作量大,由此法又衍生出了统计窗法,随机量测法等简化方法。具体的调查方法、步骤、解译原理种类较多,而且不尽相同,本文不一一详述。  以上这些结构面信息采集方法,很明显在现有技术中:钻孔岩体结构信息采集法的应用是有相当限制的,该法无法获得结构面的规模信息,而且其应用对成孔工艺,成孔质量都有特殊的要求,另外该法最主要的问题是其解译精度不能得到保证; 人工精测法是目前所有方法中最为准确、 可靠的, 也是最为常用的方法。但调查工作费时、费力,同时存在复杂工作条件下调查人员的人身安全问题,受工作环境影响较大。 针对这些问题所提出的简化的人工量测法则在降低工作强度的同时降低了数据的真实性、完整性;摄影、摄像方法采集物体空间位置信息的技术,应用范围相对集中在遥感、大地测量图片的解译上,应用对象一般均规模较大,在地质剖面中的应用局限性主要是获得标定量测照片难。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   4  页   共   19  页  三维激光扫描技术 三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继间定位系统之后又一项测绘技术新突 破。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息, 为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性,不接触性,穿透性,实时、动态、主动性,高密度、高精度,数字化、自动化等特性,其应用推广将会像 样引起测量技术的又一次革命。  随着激光技术和电子技术的发展,激光测量已经从静态的点测量发展到动态的跟踪测量和 3D 立体测量领域。现在, 3D 测量技术已经发展出更远的工作距离和更多的应用领域。加拿大 3维激光扫描仪扫描距离可以达到 1700米;扫描速度每秒   10000 点,测量精度 1‐用于大规模的现场监测,如露天煤矿、大面积的地质勘察等。  地面型三维激光扫描技术也在斜坡稳定性研究及大变形监测等方面进行了大量工作。与此同时,国内随着机载三维激光扫描仪的引进,在地形、地貌三维数据采集,输水、送电线路的选择等工作也得到了开展。  三维激光扫描的优点  采用三维激光扫描仪进行作业,其比传统 的仪器在使用上具有非常显著的优点。主要体现在以下几个方面:  可以进行全天候可以作业 .  由于采用的是激光,无需太阳光,或光线的特别角度。在黑暗的环境中照样可以正常工作,如隧道中或地下矿井中。  非接触测量:无需反射棱镜,对扫描目标物体不需进行任何表面处理  扫描直接出来的是数字产品,无需中间步骤就可直接出来 坐标。  扫描的数据密度可以调节,根据不同 距离,点间距可设定   1000 精度 :  典型的精度,在可以工作的范围内达到 1型化后的精度更可达 3以充分满足大部份的测量需求。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   5  页   共   19  页  长距离 : 3  米到   >1500  米的距离, 可以很快的从遥远的目标获取数据以前不可测量的目标现在距离之内。  快速数据获取, 10000  点 /秒   的数据采集。  可与外置数码相机、 统配合使用; 三维激光扫描技术与传统测量技术的区别  与全站仪等单点采集三维数据的方法相比: 无需设置反射棱镜、 无接触测量,在人员难以企及的危险地段使用优势明显;突破单点测量方式,以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据,对目标描述细致、采样速率高,传统方法难以实现。缺点是与全站仪相比测量精度相对为低。  与光学摄影测量为原理的近景摄影测量及航空摄影测量不同:摄影测量获取的是影像照片,而激光扫描获取的是三维点云数据,其获取的数据格式不同;摄影测量数据拼接采用相对或绝对定向方式, 三维激光扫描采用数据的坐标匹配方式,其拼接各测站间数据的方式不同;解析方法不一、测量精度不同;测量环境要求不同,摄影测量对环境光线、温度要求高;数据处理方式不同。  该设备是一台完整、完全便携式的激光影象与数字化的测图系统, 是目前世界上最先进的三维测量设备之一。   已逐步开始应用于工业、考古、建筑、地质等众多领域。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   6  页   共   19  页  采用加拿大 测量的优势与技术运用 在测量的快速、精确与可靠性等方面,激光扫描测量有着无可比拟的优越性。以下我们会将使用 D 做测量的主要优势以及它的技术运用说明如下。  1、 精度高 , D 三维激光扫描仪的测量定位精度为 3, 可以达到一般测量精度要求。  2、 测距远 , 1200 m @ 80%反射率目标   , 1000 m @ 40%反射率目标, 800 m @ 20%反射率目标   , 350 m @ 4%  反射率目标。  不管对于短距离及长距离的扫描, 能照顾的到。可以说是全距离的扫描,对于很多地质物体,可以从各个角度不同方向进行完全的扫描,做到了扫描完整化,没有死角的出现。 3、 测量速度快 ,数据采样率 1000 点 /秒,可以不必以小点间距取样,节省测量时间 , 快速的扫描速度加上强大的后处理软件使您在短时间内达到预期目的。 4、完全安全一级激光标准    平常在野外进行作业, 每天都会有大量的人员走动。用对人体完全安全的一级激光,即便在人多的情况下也可以进行测量,不会对测量作业人员及游人产生伤害。 5、仪器具有 防水防尘功能  仪器适用不同作业环境,也可配合个人时间,合理安排工作,即便是在夜晚或雨天都可以进行扫描。  6.   强大易用的后处理软件  D 的后处理软件 用强大的功能,并且简单易于学习使用。  7. 另外在主机中还含有一个内置 600 万像素的 码相机 , 在我们进行扫描的同时,它会自动存储该场景的数码图像。可做为 类的基础信息。并可同时实现彩色点云的获天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   7  页   共   19  页  取,并就用于后处理方面的统计纹理贴图。  8. 具有一个可旋转转台,可实现 360 ° X - 2 0 °-+90° 或者 360 ° X - 9 0 °+20°范围之内的自动扫描。 动态的大范围的扫描是 有非常突出的优点。 9. 有独特的扫描模版,Z 字型的扫描模版,可实现无控制点的自动拼接,通过设定不同扫描幅的重叠处理,可消除仪器转动过程中的机械转动误差。 10. 3D 的界面控制是通过掌上电脑来时行的。 无需外接笔记本电脑来进行操作,从而大大减少了外业携带仪器的重量及数量,同时其数据是存贮在国际标准的 U 盘中,无需外接的存贮器,从而进一步简化整个仪器的电缆连接,也减少了外业操作的故障率。 11. 3D 也提供了基于以太网的 的   P 无线网络控制协义的数据接口,允许通过 控制这台仪器,并实现数据的实时传输。   可用于远程遥控监控。  12.  独特的电源设计  用了专业的战地记者才有使用的高性能电池,而非一般电池。使整个系统的重量及体积进一步缩小, 便于携带。 同时配备智能化的充电器, 可实现对电池的自动判别,并进行自动的放电及充电过程。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   8  页   共   19  页  三维激光扫描仪在地质上应用的工作流程 天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   9  页   共   19  页  三维激光扫描方法及数据处理 三维实体扫描及处理的完整过程包括点云数据的获取、数据预处理、实体模型建立、数据结果的输出等步骤  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   10  页   共   19  页  工程应用中的基本问题分析 三维激光扫描技术作为一门新 兴的技术,有着显著的区别于传统测量的技术优势,但还存在着一定的问题需要不断的改进,在工程领域的应用中还存在一些有待讨论的问题。 将三维激光扫描技术应用到岩土、地质工程领域前景广阔,下面针对三维激光扫描技术在工程领域应用中的几个基本问题做一些尝试性的讨论与研究。  三维激光扫描技术在工程测量 应用中,需要将点云数据反映到工程实际当中去, 因此将扫描的点云数据坐标转换到与工程实际相符的大地坐标中具有重要的现实意义。  要把点云数据在一个坐标系中的 坐标转换到另外一个坐标系中去,就需要知道这两个坐标系之间的转换关系。为了求出这种转换关系,就需要几个特征点(同名点) ,即已知在两个坐标系中同名点的坐标。  一般而言,特征点的选择可以有两种方法:  ( 1) 在扫描过程中,扫描目标表面选择三个或更多的特征点,这些点一般选择位置明显、易于识别的点。  ( 2) 扫描机位点作为坐标转换特征点。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   11  页   共   19  页  地质体表面所蕴育的地质信息,反映 到三维激光扫描技术中,被抽象为数以百万记的三维点 坐标,由这些点在计算机中再次重新构造了一个虚拟的客观外部 世界,对于计算机中所构造的地质体,有着与其原型相一致或相 近的一切外部几何特征,但又有别于原型体,需要对点云数据所 构造成的地质体进行分析、解译,得出与其对应的客观原型的真 实数据信息。根据工程实践总结扫描数据的判别原则:  • 点的识别方法  • 结构面识别基本方法:  ( 1)结构面 ‐直接判识;  ( 2)结构面 ‐类比判识;  ( 3)结构面 ‐推理判识;  ( 4)结构面验证。  •   扫描物体的边界识别。  •   其它数据判识可由此类推。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   12  页   共   19  页  对于地质体中的结构面而言, 首先它是一个面。一定空间范围内通常可以近似认为结构面是一个平面。因此,在三维激光扫描获取的点云数据中可以通过平面来描述这些结构面, 以获取需要的结构面参数。  对于三维数据中结构面的描述,可以有以下方法:  • “三点确定平面 ”法拟合结构面:在结构面上确定三个具有代表性的不在同一条直线上的点,由这三 个点生成一个平面,用这个平面来拟合该结构面。这种方法可 应用在结构面在地表只有迹线出露,且在地表出露处地形上要有一定的转折。  • 多点法拟合结构面:利用三维点云数 据中结构面出露面上的所有点(或者大部分点)来拟合一平面 。这种方法克服了地质罗盘单点测产状而存在的不足,其效果较为理想。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   13  页   共   19  页  三维激光扫描技术在危岩体调查中的应用  ( 1)点的三维坐标查询;   ( 2)几何尺寸的量测。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   14  页   共   19  页  ( 3)不利结构面产状获取。  ( 4)二维稳定性计算剖面生成。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   15  页   共   19  页  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   16  页   共   19  页  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   17  页   共   19  页  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   18  页   共   19  页  三维激光扫描技术具有很强的工程适用性,在岩土、地质工程的调查中应用三维激光扫描技术具有重要的理论及现实意义,有着巨大的应用潜力。传统的地质调查方法费时、费力并存在调查人员的人身安全问题,同时在某些情况下还存天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499 第   19  页   共   19  页  在难以获取令人满意的结果。将三维激光扫描技术引入到岩土、地质工程领域,在某些地质调查方面有着传统地质调查方法难以比拟的优势, 获取一些传统方法难以获得的结果。另外,这种新技术的引入大大降低了调查人员的劳动强度,提高了工作效率。  总而言之,对于实际的工程应用来讲,将三维激光扫描技术与岩土、地质工程领域的调查方法相结合,并把该技术应用于工程实践当中去,无论对于测绘还是工程领域都具有重要的里程碑意义。  天津中翰仪器有限公司联系人:张金昌电话:0228622921499
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