三維激光掃描儀在地質災害中的應用

1、 4/4三維激光掃描儀在地質災害中的應用 三維激光掃描儀在地質災害中的應用 本文通過兩個案例的簡單介紹，從實際應用出發(fā)概括的介紹三維激光掃 描測量技術在地質災害現(xiàn)場勘察和應變處理方面的應用，討論其在搶險救災快速反應中與傳統(tǒng)地質調查方法相結合的適用性與可行性，從中不難看出該項技術具有精度高、速度快、真實反映原型并能快速提取相關信息，其勢必成為傳統(tǒng)地質 調查方法的有益補充。 案例1：新疆果子溝雪崩搶險中的應用 2008年3月13日，新疆果子溝，西氣東輸二線果子溝一號隧道發(fā)生雪崩，導致正在施工的多人遇難和多人下落不明。中石油管道公司和新疆伊犁自治州全力投入到救災搶險工作中，并發(fā)動和利用社會上最先進的

2、技術進行救援。 中國地質環(huán)境檢測院地質災害防治中心的專家也趕到事故現(xiàn)場，并攜帶了Leica三維激光掃描儀參與現(xiàn)場測量和分析。在此次搶險中，三維激光掃描儀發(fā)揮了高速度掃描、高精度測繪、非接觸測量的優(yōu)勢，為專家提供了詳實的現(xiàn)場基礎數(shù)據(jù)。 Leica ScanStation2在此次搶險過程中體現(xiàn)出的優(yōu)勢： 1、測量速度快。 在果子溝搶險過程中，因為天氣和地質的原因，現(xiàn)場隨時會發(fā)生新的雪崩和巖石崩塌，因此現(xiàn)場測量時間越短，儀器和測量人員就越安全。 ScanStation2的測量速度為每秒5萬點，是同類掃描儀速度的的10倍，因此大大節(jié)約了現(xiàn)場測量時間，并保證了現(xiàn)場更完整數(shù)據(jù)的獲取。 2、自動全景測量（3

3、60度X270度）。 山體和隧道的現(xiàn)場情況是非常復雜的，測量儀器的設置位置就非常有限，要考慮到即穩(wěn)固又安全，同時測量人員能容易到達，所以更大視場角的測量設備會減少測量人員設站的限制，并可以一站獲取更多的數(shù)據(jù)內容。這一點尤其對于山體的測繪顯得更為重要，其他掃描儀產品往往只能測量40度左右視場角內的對象，對于較為陡峭的巖體，只能多次移動設備多次測量。 ScanStation2是一款基于全站儀精度標準設計的三維掃描儀，可以自動進行360度X270度的全景測量，并可以充分保證儀器工作時測量數(shù)據(jù)的準確性。 3、測量精度高； 測量精度的高低會決定后續(xù)數(shù)據(jù)結果的準確與否。三維激光掃描儀的測量精度主要體現(xiàn)在兩

4、個方面，一個是儀器標稱的精度，還有一個是結果點云的質量。較高的測量精度和較好的點云質量，會為后處理提供更準確的基礎數(shù)據(jù)，并減少后處理的難度。ScanStation2掃描獲得的點云均勻，細密，噪點少，為后續(xù)的處理提供了很好的原始數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)結果更準確。 4、惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作； 在這次搶險工作中，工作現(xiàn)場海拔2000米，局部工作區(qū)域溫度低，低于0度以下，還有部分區(qū)域有大量滲水。ScanStation 2在這樣的環(huán)境中穩(wěn)定的完成了工作任務。 5、非接觸測量，更安全。 搶險過程中，很多區(qū)域仍然非常危險，為了避免振動引起的雪崩及山體滑坡，并為了保證救援人員的安全，很多測量無法靠近完成。因此非接觸的

5、測量顯得尤為重要，Leica ScanStation2通過非接觸的激光掃描，遠程完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，讓數(shù)據(jù)保存在筆記本電腦中，專家們可以在撤離現(xiàn)場時，直接基于測量數(shù)據(jù)進行量測和結果處理。 測量數(shù)據(jù)的利用和處理： 1、基于點云的量測和分析。 海量點云可以將現(xiàn)場情況完整、直觀的通過筆記本電腦帶回到辦公室中。點云數(shù)據(jù)是完全的三維空間表達，可以方便查看、量測距離和角度、面積及體積分析。ScanStation2 還可以通過自帶同軸相機完成現(xiàn)場場景的照片拍攝，并通過Cyclone軟件自動渲染到點云上，讓點云表達更直觀。通過ScanStation2高質量的點云可以量測巖石裂隙的尺寸，并確定走向，同時可以獲

6、取沖溝的幾何形狀。直接為巖石穩(wěn)定性分析及泥石流現(xiàn)狀分析提供了基礎數(shù)據(jù)。 測量得到的彩色點云 2、快速生成現(xiàn)場詳細地形圖。 點云數(shù)據(jù)通過Cyclone軟件可以快速轉化為高質量地形等高線圖。方便進行量測、分析和計算。重要的區(qū)域還可以生成地質剖切面，從而可以進行更詳細的穩(wěn)定性分析。 自動生成的隧道口地形圖 3、基于地形模型進行土方量的計算和分析。 通過采集到的三維完整表面點云信息，Cyclone可以快速構建TIN網(wǎng)，方便進行空間運算。結合變化前的地形圖，可進行地形的變形分析。結合參考面和施工標準面，可快速進行土方量的計算，從而提供完善的三維數(shù)據(jù)基礎供分析使用。 4、構建實體模型和切面。 對于復雜實體

7、的分析，基于ScanStation2測量的數(shù)據(jù)，可以構建實體模型，進行體量、外形分析。并可以方便的通過Cyclone進行剖且，完成切面分析。 通過點云自動生成的三維隧道Mesh模型 總結：在此次搶險工作中，Leica三維激光掃描儀充分發(fā)揮了掃描速度快，數(shù)據(jù)精準的作用，后處理Cyclone軟件也體現(xiàn)了功能全面，使用簡單的特點。從地形測量、山體巖石測量到隧道測量，Leica三維激光掃描儀都發(fā)揮了重要的作用，為本次搶險工作提供了準確、完整的基礎數(shù)據(jù)。 案例2：都汶公路搶通中的應用 都（江堰）汶（川）公路是一條高等級山區(qū)公路，同時是連接都江堰與汶川縣城的主要干道，溯岷江而北上，全長108km。強烈的汶

8、川地震導致了公路兩側大量崩塌、滑坡等地質災害發(fā)生，嚴重阻斷了交通生命線，由于公路沿線河谷狹窄、山高坡陡、表部巖石破碎，又適逢雨季來臨，崩塌、滑坡、泥石流等次生地質災害為震后搶險救災及地質調查工作帶來極大挑戰(zhàn)。三維激光掃描儀在都汶公路快速搶通的搶險救災快速反應中表現(xiàn)出了該項技術具有精度高、速度快、真實反映原型并能快速提取相關信息，的有利優(yōu)勢。 三維激光掃描測量技術的特點 在目前各種測量手段和方法之中，相比之下，三維激光掃描技術來進行地質測量具有獨特的優(yōu)勢，它能夠完整并高精度地重建掃描實物，快速獲得原始測繪 數(shù)據(jù)；可以真正從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構，無需進行任何實物表面處理，其激

9、光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標的真實數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠，具有精度高、速度快、逼近原形等優(yōu)點。該技術歸納起來具有如下一些特點： 1、非接觸測量 三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠。可以用于解決危險目標、環(huán)境（或柔性目標）及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術優(yōu)勢。 2、數(shù)據(jù)采樣率高 目前，采用脈沖激光或時間激光的三維激光掃描儀采樣點速率可達到數(shù)萬點秒，而采用相位激光方法測量的三維激光掃描儀甚至可以達到數(shù)十萬點秒?？梢姴蓸铀俾适莻鹘y(tǒng)測量方式難

10、以比擬的。 3、主動發(fā)射掃描光源 三維激光掃描技術采用主動發(fā)射掃描光源（激光），通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標物體數(shù)據(jù)信息，因此掃描過程中，可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時間和空間的約束。 4、高分辨率、高精度 三維激光掃描測量技術可以對掃描目標進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達到高分辨率的目的，對于單點測量精度也完全滿足一般測量需求。 5、數(shù)字化采集，兼容性好 三維激光掃描技術所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進行數(shù)據(jù)交換及共享。 取得的實際效果 將三維激光掃描測量應用到震后都汶路搶通工作中，取得了以下主要成效：

11、1、速度快 由于整個都汶路沿線重大地質災害隱患點眾多，搶通過程中利用該技術方法短期內完成數(shù)據(jù)采集的邊坡達處，為搶通工作贏得了寶貴時間，體現(xiàn)了該方法的有效性；如果使用傳統(tǒng)的調查方法在短期內是難以完成如此大量的任務的。 2、數(shù)據(jù)量大 通過三維激光掃描技術的應用，獲取了大量災害隱患點數(shù)據(jù)信息，形成各類有關地質災害的基礎性圖件余幅，為搶險決策、施工設計等工作提供了科學依據(jù)，先進的技術方法大大提高了調查結果的準確程度； 3、安全性高 三維激光掃描技術的使用將調查人員的安全威脅降低到了最低的程度。 結語 將三維激光掃描儀引入地質災害應急調查是對傳統(tǒng)地質調查方法的擴展與 補充，在極大提高工作效率的同時提高了地質調查的精度，而且在某些條件下提供了傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。總體而言，三維激光掃描