地面三维激光扫描技术在地质工程中的应用

1、随着地面三维激光扫描技术的不断发展，在地质工程方面应用研究越来越多，主要应用领域包括地质研究、地质滑坡与灾害治理、工程地质编录、油气勘探。一、地质研究一、地质研究一、.应用现状研究。在地质研究领域，三维激光扫描技术与传统测量手段相比，主要有以下优势：测量简单、便捷；测量结果精确；采集信息全面；数据后处理简单；可直接基于三维结果信息进行计算分析；非接触、大场景测量效率更高，减小测量工作对环境的依赖和局限。地面三维激光扫描技术为地质研究提供了一种新的工具和手段。二、.应用方向研究。a.边坡安全监测。边坡破坏的预测以及边坡破坏后的状况把握及二次灾害的防止预防等都需要及时准确的掌握边坡体的三维信息。三

2、维激光扫描仪可用于边坡体灾害发生前后的地形变化测绘，二次破坏的预测以及边坡破坏前兆的把握和危险性评估。 通过三维激光扫描获取地形数据后，可以利用软件快速构建DEM以及TIN网数据。徕卡Cyclone数据后处理软件就提供了便捷的数字高程模型建立功能，并可实现坐标转换，将数据快速转换到WGS84坐标，或者地方坐标系。转换后的数据可以进行如下分析：平面图的重合比较等高线的重合比较断面图的重合比较断面图的差分比较直接基于三维DEM进行数据分析变化部位及位移量。三维激光扫描仪用于边坡三维形状获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全监测等都具有其独到的方便性及先进性。测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据

3、直接可以进行处理以得到基础信息或分析结果。b.地质露头研究。三维激光扫描仪可以为地质露头层序地层相关的研究提供准确的数据，通过扫描可以获取露头的三维模型，为地质灾害预防、地震研究、矿藏探测等提供基础资料。集成了内置相机的三维激光扫描仪更可以同时获取高清晰的影像数据，为后期的分析和研究提供了更详细的信息，通过软件快速构建彩色点云模型以及彩色Mesh模型。并可以直接在三维空间实现点、线、面、体等信息的完整提取，数据可以通过DXF格式导出到其他后续绘图软件中。在地质露头研究中，三维激光扫描仪发挥了非接触、高精度、高分辨率测量的特点。大大减少野外数据采集时间，并能获取更完整的信息。c.地质裂缝研究。通

4、过挖掘地质探槽，可以更准确的掌握地质裂缝信息。地质探槽反映了地层状况，地质裂缝的三维形状。通过三维激光扫描技术，可以记录和获取整个探槽的完整三维信息。通过三维激光扫描仪扫描和拍照获取高密度点云数据和高清晰照片，扫描仪内置相机的照片可以直接映射到点云上，形成彩色点云数据。彩色点云数据可以直接进行量测，并可通过虚拟测绘功能将特征数据导入其他软件做进一步分析和计算。基于点云数据，通过Geomagic软件制作高精度三角网模型，映射纹理照片，可以得到彩色三角网模型，用于浏览和分析。三、应用研究实例1.地震断裂带与地质裂缝研究。通过挖掘探槽对地震断裂带进行精细扫描，获取地震断裂带的精确走向、尺寸等相关信息

5、，从而对断层进行分析。使用仪器为Leica ScanStation2 三维激光扫描仪，软件为Leica Cyclone5.8。本次地震断裂带地质裂缝研究，通过三维激光扫描仪在地质探槽内设置两个站位进行扫描，在每个站位使用扫描仪内置相机进行拍照，两站的数据结果通过标靶进行拼接，从而获取完整的地质探槽相关数据。地质探槽扫描点云数据如图1，地质裂缝局部扫描电云数据如图2。图12.地质露头测绘。对于地质灾害多发的区域，掌握该地区地形数据就显得尤为重要，有助于我们在事故发生之前根据情况判断哪里是地质灾害多发区域，可以事先预报该地区容易发生什么样的地质灾害，可以把损失降到最低。而在事故发生后可以根据详细的

6、数据进行抢险救灾。传统的数据采集模式得出的数据不够详细，例如1:500的地形图的采样密度大概是20米一个点，而采用三维激光扫描技术可以设置它的采样密度，低密度可以达到20cm一个点，高密度可以达到1mm，同时可以获得每个点位的彩色信息，以便对现场的情况做出更准确的判断。使用仪器为Leica HDS4400 三维激光扫描仪，软件为I-Site Studio 3.3。该研究主要扫描的对象是地质露头，针对多个典型的地质露头进行扫描，再根据各个扫描站的坐标拼接到大地坐标系下，并通过后续数据处理获得地质露头的三维模型及提取岩石裂隙走向等信息。现场数据采集情况如图3，彩色点云数据如图4。3.汶川震后滑坡调

7、查和监测。汶川地震发生后，为了快速恢复交通和基础设施，并避免次生灾害发生，需要对山体滑坡排查和监测。工作量巨大，作业环境异常艰苦，通过传统的测绘方式效率较低，在重点区域精度较差，因此通过三维激光扫描技术可以实现快速测绘，精细测量，高效率获取完整滑坡三维信息。使用仪器为Leica ScanStation2，软件为Leica Cyclone6.0。扫描多站获取滑坡体数据，经过拼接得到完整点云。通过Cyclone 软件直接生成TIN网数据。扫描仪内置相机拍摄的现场照片如图5，扫描仪获取的点云数据如图6，Cyclone软件生成的TIN网数据如图7。4.输油管线工程地质调查。三维激光扫描仪在输油管线工程

8、地质调查中，可以快速完成基础地形测绘，滑坡体和危岩体测绘，隧道测绘。这些工作可以对山体构造、泥石流冲击沟，岩体裂隙走向，隧道等相关信息进行完整、准确地搜集，从而为输油管线施工区域中的地质灾害多发区的灾害预防提供更多原始数据，帮助地质专家确立合适的地质灾害预防方案，保证施工安全进行。使用仪器为Leica ScanStation2，软件为Leica Cyclone5.8。在本输油管线地质调查中，三维激光扫描仪对高海拔山体的某施工区域内可能发生的坍塌、不稳定斜坡、泥石流三类地质灾害的部分进行了精细扫描，同时获取了施工隧道洞口以及周边三维数据。隧道洞口数据采集状况如图8。隧道口彩色点云数据如图9隧道M

9、esh模型及断面线如图10。数字高程模型叠加等高线如图11。二、地质滑坡与灾害处理二、地质滑坡与灾害处理地质滑坡：滑坡监测的技术与方法正在从传统的单一监测模式向点、线、面立体交叉的空间模式发展。具体来讲，可以概括为两种：一种是滑坡监测的传统方法，主要指全站仪测量方法、摄影测量方法以及GPS监测系统等；另一种是基于新技术和新仪器的滑坡监测新方法，如合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术、三维激光扫描技术。一、应用研究现状。地面三维激光扫描仪是一种集成多种高新技术的新型测绘仪器，已逐渐被应用于变形监测之中，为滑坡监测提供了可供选择的新方案。在滑坡发生后，如何在第一时间获得现场数据无疑是人们最关心的

10、。传统的测量方式耗时耗力还不便于救援工作的展开。地面三维激光扫描技术在地质灾害工程治理中的优势：快速测量。在地质灾害发生后，能快速准确的记录下泥石流现场的数据以便展开后续的工作。非接触测量。滑坡发生地区，地形复杂，作业人员很难到达待测位置，但是如果不能到滑坡发生位置去就不能获取准确的资料。地面三维扫描仪具有非接触式测量的特点，可单人操作仪器，两个人就可以开展工作。最大限度的节省了人力让其他工作人员可以开展更多的工作。全景扫描。地面三维扫描仪具有超大视场角，保证每个点位的全景扫描。本身自带的全景数码相机可以把现场的真实信息完整记录下来，最大限度的获取现场工作环境。二、万工滑坡应用实例1.滑坡数据

11、获取。采用Leica HDS8800三维激光扫描仪，这是一款非接触性测量，专门对矿山、地质、地形测量的一款仪器，由激光发射器发出的激光打到物体表面，然后反射回来后，再根据角度，可以测得该点的X、Y、Z、R、G、B和反射率7个值。扫描仪的扫描范围为2000m，能够方便快捷的完成项目的扫描工作。在采集数据过程中，仪器内置的全景数码相机同步拍摄了彩色照片，在Cyclone软件中将彩色照片的信息赋予点云，点云数据数据就将真实的环境反映了出来。万工滑坡现场如图12。万工滑坡点云数据如图13。2.数据处理。要对滑坡地形进行研究，需将三维激光扫描仪获取的点云数据利用Cyclone软件进行数据拼接、坐标转换、

12、去噪处理。去噪处理是将房屋、树木等地物去除，显示出滑坡的真实地形状态，用这个数据做后续分析研究。a. Mesh模型制作。在Cyclone软件中用去噪后的数据构建TIN生成Mesh模型，如图14。基于Mesh制作该滑坡的剖面图如图15。通过设置间隔距离将滑坡各处的剖面图均制作出来，进而利用不同的剖面对滑坡的走向等进行分析研究。b.二维地形图制作。将去噪处理后的点云数据导入南方CASS软件中制作二维地形图，通过构建三角网来绘制等高线。每个高程点，每条等高线的具体属性值在CASS中都能显示，这些属性值都是真实的地理坐标，根据这些分析值得出的结果完全反映了滑坡当前的状态。利用CASS软件分别制作了万工

13、滑坡的平面图、立面图、截面图，分别如图16、17、18。每幅图从不同角度显示滑坡的当前状态。这样在分析研究时不仅能够从整体上把握滑坡的大体趋势，还能够从细节入手针对具体问题具体分析。深入的研究将为这类地质灾害积累宝贵的资料，为后续地质灾害的预防提供依据。三、舟曲地质灾害治理应用实例1.项目概述。2010年8月7日22时，甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨，县城北面的罗家峪，三眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断白龙江，形成堰塞湖。在灾后重建中，为了快速、准确的获取地质灾害点的治理过程的详细信息。在灾后重建中，为了快速、准确的 获取地质灾害点的治理过程的详细信息，考虑到速

14、度、精度、安全等方面的因素，扫描采用了Leica地面型三维激光扫描和数据采集，构建重点工程区域数字地形及工程模型，配合治理工程跟踪监测。2.地质灾害治理方案。a.数据获取。针对舟曲县曲瓦乡水泉村几处灾害点以及周边环境进行整体扫描测量，重点灾害点采用高等密度进行扫描，周边环境采用中等密度进行扫描。b.数据处理。利用Leica 扫描仪的配套软件Cyclone 完成后期的点云数据拼接、数据处理与成果提取。c.点云拼接。多站数据高效率、高精度的拼接是点云数据处理的重中之重，Leica Cyclone 软件提供了多种拼接方式，如图19。可以根据不同现场情况轻松实现高精度的拼接，并可输出QA/QC质量报告

15、。高精度高质量拼接后的点云使后期数据处理及成果提取的精度得以保证。d.快速构建DEM模型。通过点云数据，Cyclone软件可快速构建三维完整的TIN网模型，并可根据具体要求进行不同程度的采样。e.根据地形生成等高线与断面线。Cyclone软件可以基于点云数据生成的TIN网自动快速生成等高线，并可根据不同需求生成横、纵断面图。f.滑坡体土石方计算。通过软件可以简便快速计算出滑坡体的土石方量以及面积，并附有多种计算方式可以满足不同情况不同要求的计算，土石方量计算如图20。g.构建三维模型。通过完整的点云数据可以生成灾害点以及周边环境的真实三维模型，为地质灾害工程治理提供了良好的基础数据。h.快速发

16、布。Cyclone提供的TrueView模块可以基于网络实现快速发布，如图21。在灾害发生后通过扫描仪的快速测量和软件快速发布方式可以让后方的专家、领导在第一时间得到灾害现场的第一手资料。 三、工程地质编录三、工程地质编录1.应用研究现状。水电开发往往进行于高山峡谷之中，由于山坡陡峭，场地道路简易，水电建设的勘查工作艰苦并且危险，这给获取地质勘查信息带来大量的困难。边坡地质岩体结构编录是地质勘查的重要内容，同时也是进行工程地质问题分析与评价的基础。工程地质编录主要手段仍停留在罗盘加皮尺的传统方式阶段，通过皮尺确定结构面的相对位置、延伸长度、厚度、间距等几何特征，现场勾绘结构面轮廓线，使用地质罗

17、盘获取结构面产状信息。然后通过计算机扫描矢量化现场图件。这种方法不仅工作量大，效率较低，而且难以保证测量数据的准确性。另外，工程建设规模越来越大，边坡越挖越高，开挖速度越来越快，在施工过程中开挖，运渣，支护往往同时进行，很难为调查人员提供充足的时间和安全的空间进行详细的现场地质编录，特别是在高陡边坡开挖过程中，现场获取开挖边坡的岩体结构信息，难度是相当大的。三维扫描技术的产生，为上述问题提供了最为有效、实用和先进的技术手段。地面三维激光扫描技术在岩体结构面信息采集方面有着传统采集工作无法比拟的优势。在结构面信息采集以及地质编录中，其优势有：1.满足施工现场快速施工要求，扫描现场耗时少，不耽误现

18、场施工进度；2.针对高大边坡难以接触的特点，三维激光扫描技术真正实现了远距离非接触测量同时获得了真实、精确、完整的三维数据；3.基于三维激光扫描技术可以实现对开挖面的高精度、更为细致的地质编录；4.避免了现场灰尘、高位落石等对地质人员的伤害，大大减少了现场安全隐患开挖边坡地质编录实例应用某水电站左肩拱肩槽开挖边坡高数百米，在高程1485米马道处上一级开挖槽坡高10米，长55米，坡角60度呈现陡崖状，现场不具备攀爬条件，如图22 由于边坡现代化施工速度快，现场地质编录时间有限，同时边坡上部进行支护施工对坡面地质调查人员人身安全带来隐患。因此，传统工程地质编录方式在此已经不再适用。本次扫描采用瑞士

19、Leica ScanStation 2 三维激光扫描仪。充分利用该设备点云数据采样精度高、速度快、采样分辨率高的特效性，对该高程马道上一级开挖边坡进行三维点云数据采集，根据现场地形条件共设置2处扫描机位点，两次或取得点云数据通过标靶拼接方式进行合并，同时对标靶点进行大地坐标测量，以便对获取的点云数据进行坐标转换，以使点云图像坐标与工地现场实际情况相符合。考虑到本次研究内容要求，需要获取细小岩体结构面空间信息，以便进行岩体结构的精细描述。因此，考虑采样时间限制，最终设置采样点间距为4mm。1.结构面迹线空间位置获取。通过点云数据与彩色信息相互耦合的后期处理，便可以得到具有真实彩色信息、采样密度大

20、、准确率高的大地坐标值的点云数据影像，对于提取一二级结构面信息已经变得简单，但是对于三级结构面信识别与提取在某些情况下还存在一定的困难。由于三级结构面相比之下的随机断续分布、延伸长度较小及硬性接触等特点，较难解译识别。通过大量实验，多次试验找到了一种对于三级结构面的三维点云数据识别、解译提取信息的方法：一是直接在点云数据表面识别结构面；二是利用外部数码相片耦合提取。方法一：在扫描电云数据中用空间多义线对结构面出露迹线进行描述，简单、实用、快捷、不过多叙述，效果图23由图可看出，对于结构面发育、出露清晰、规整的条件下，可利用点云影像数据直接识别。但在实际工作中经常会遇到由于结构面短小、杂乱等情况

21、，此方法就存在一定的困难，为解决这一问题，可采用方法二：a.由于目前扫描技术可以实现外部彩色相片与点云数据相耦合，因此，可以利用高清数码相片分辨率高，对细小结构面反应清晰、细致这一特点，不妨先从外部数码相片入手，在数码相片上解译细小结构面，利用画图工具在照片上将结构面出露迹线用不同颜色描出并分组；b.利用坡表或人工标记点将三维点云数据与处理过的多幅照片进行耦合，如图24，c.通过标记结构面信息的彩色点云三维影像数据，可以清晰、准确的提取三级结构面空间信息。2.结构面产状获取。在Cyclone软件中将岩体结构面识别后，利用选取工具在结构面出露部位点云数据选取一个或者多个点，然后利用软件中提供的C

22、reate Object/Region Grow/Patch功能对所选点的平面进行自动搜索，以最终得道拟合平面，如图25，选取点的准确性及代表性将直接影响到拟合结构面的准确性，由拟合平面获取平面方程参数。三维点云数据都是经过大地坐标转换，其每个点云的坐标值与现场扫描目标体真实大地坐标相对应，由此就可以应用几何、数学知识求解结构面产状。由此，在分组结构面中对每组典型结构面进行产状测量。对结构面坡表面出露部位上点云数据自动捕捉，生成一拟合平面，由此平面代表结构面的空间延伸状态，并获取该平面法向矢量，由于其所在坐标系统为真实的大地坐标值，由此根据平面法向矢量便可得到结构面产状参数。根据获取的结构面分

23、组产状，完善AutoCAD数据获得传统意义上的岩体结构地质编录图件，如图26。在以上操作流程中需注意一些细节问题：a.获取的结构面三维数据只能反映结构面空间几何信息，彩色信息也只能反映部分地质信息，现场岩体结构的总体观察、判断及描述是十分必要的，这点对后期的解译也具有重要的指导意义；b.获取多幅外部数码相片时，应注意照片拍摄环境应尽量一致，避免造成前后照片色差、亮度等变化过大的问题；c.外部数码相片要完全包含扫描区域范围；d.对细小结构面的三维点云识别，除了照片标记的迹线外同时还要注意其三维空间形态，最好是两者相结合共同识别。 基于三维点云数据对岩体结构进行快速辅助地质编录工作的研究，是传统地

24、质调查方法的有益补充，提供了岩体结构调查的一种新方法，实践表明：该方法速度快、精度高，具有很强的适用性和极高的应用推广价值。三维激光扫描技术在水电工程领域有着广阔的应用空间，大力发展三维激光扫描技术与传统地质调查技术相结合的方法与手段有着重要的研究价值。四、油气探勘应用实例四、油气探勘应用实例1.项目概述：项目位于四川省某区县山地地形中。由于以往的地形测量方式外业工作量大，生产效率也很有限，为了优化地震物探部署方案，徕卡测量系统贸易公司研究人员采用Leica HDS8800 激光扫描仪以及高精度GPS RTK测量系统获取了该项目部分区域多站点的三维激光点云数据，利用HDS8800配套的专业数据

25、处理软件进行数据处理，对点云数据进行拼接、去噪、抽稀等工作。得到了该区域地表数字地形图、Mesh数据和等高线等成果。Leica HDS8800作为长距离激光扫描仪的代表性产品，通过简易的操作模式、高精度的数据信息，可完成大范围的地形数据采集工作，从而降低外业人员劳动强度的同时也提高了外业数据采集效率。主要技术流程：1.数据采集过程。由于即将扫描的区域为典型的川渝浅丘地形，地形复杂，所以前期阶段对扫描区域进行实地踏勘，针对现场不同地表地质条件制定出测量项目规划，然后在扫描区域建立GPS控制网。本次项目采用Leica HDS8800 激光扫描仪，它类似于全站仪式的操作，完成后视定向后就可以直接开始扫描工作，无需单独布设反射标靶，所以它的完成率高。 本次油气勘探项目施工区域属四川盆地浅丘地形，交通网复杂，人烟稠密，植被多。利用Leica HDS8800