三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的运用

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贤三维柜激光有扫描抄系统积是目励前国图际上珠最先茧进的候获取寺地面询空间领多目螺标三方维数见据长陪距离正影像辞的测鱼量技垒术，坡它将师传统轰测量熊系统索的点布测量震扩展蜡到面质测量贺，可盈以深恩入到旷复杂膜的现傲场环管境及贿空间瓣中进疯行扫极描操腹作，忘并直熟接将常各种忌大型趣、复暴杂实掏体的虾三维影数昏据完打整地杂采集要到计冶算机则中，以进而艇快速铁重构随出目晒标的栋三维廊模型核及点腊、线衔、面弱、体翠等各率种几弯何数脏据，枯而且鞋用所骆采集习到的氧三维证激光油点云替数据尽还可道以进险行多彼种后辽处理尖工作径.馆2.怒1耻三维渣激光胖扫描捕系统抄分类塑目前厉应用肤的三梳维激泽光扫捐描系吴统从闲操作掀的空哨间位闻置可材以划便分为晶3斑类：允(1垂)写机载者型激骂光扫乐描系杏统；凭(2艇)地矿面型嘴激光销扫描扯系统脱，根嘴据测游量索方式易还可稳细分歉为移帮动式羊激光庭扫描察系统维和腰固定豪式激貌光扫高描系裙统；直(3暴)腔手持昆型激忠光扫固描系锡统。糟2.糕2飞地面师型固脑定式念三维父激光当扫描阶系统涉简介葛地面射型固驾定式懒三维劝激光庆扫描间系统括是目析前最忌为常春用的料三维络激光村扫描薯装置指。按快照激极光光未束的扬发射参方式毕、扫剧描成执像方刚式及渴测距城原理注等还游可以梅进行伯分类夫。场目前饰市场忠上的蝴三维样激光矿扫描诞仪种棚类繁创多、汗性能令各异稀、数旦据处厉理软壳件不敢尽相闸同，住但总扁的来壶说，在整个湿扫描拼及数繁据处刺理过信程是时相似饼的。勿2.菠2.合1搁扫位描廉一般但来说殊，由剑于扫剩描仪弯扫描秃范围胡的限恩制，助三维扛激光沸扫描感仪很寿难从缸一个扎方向密扫描刑一次乐便可序得到睁扫描辉体的锦完整编点云幸数据信，反悄映一宽个扫劲描实视体信计息印通常苦要由桂若干王幅扫誓描才州能完昼成。恩因此欲，交扫描苏中要参求相缩近场弱景的胖2烟次扫壁描要储有一秆定的虑重叠荐部分冷，以阁便在血处理暮软件杂中对葱扫描认得到怕的点旱云数奏据进掏行拼瓦接汤匹配辉。故磁在扫弯描前宅应对纯扫描京场地齿进行振初步依踏勘铸，合雾理设距置仪为器的脂架设采方案蔽。科源学合印理地蹦架设茶扫描助机位像，对听采集外高质抚量三抗维数莲据、滚提高旬测量立精度缴、全包面反死映场魔景细改节有腿着十耗分重键要的蔽意义岩。书2.刘2.京2关数访据处真理樱对于丢激光既扫描爬获得妨的点四云数霜据都透是以华扫描斯仪位碰置为鸦零点票的局讽部坐旨标系劳，亦变即每展次经片扫描逗而得倦到的喇点云丘数据侮的坐盲标系臭是独腰立和增不相腔关联淋的。杏但实将际上挣每幅川点云笑阵数之据都嚼是扫虫描场需景的涂一部渠分吼，那用么有锻必要蛇将这弟些点饶云数蔬阵据烂转化桐到榆同一同坐标混系里杨。所卸以要盏对得合到的误点云姜阵花数据断进行猎拼接碑匹配每，其袭常规换方法寄是利扰用选劣择两常幅扫筑描图兵像的傍公共棕点(禽至少司3岭个公私共点今)的赚办法缓来实狸现拼继接萌，选干择完膏成后仔软件防可自抗动完婚成匹做配并稍可查炕看拼率接匹项配误顽差。岸这样柱便将妄各个谎扫描违文件罗独立恶的坐戒标转卵换成赖为以目导入溉拼接终软件患的第幸一幅简点云易数据貌的局熟部坐决标为诊整个芳扫描笛场景锣的坐茂标。箭然后捡可利鸽用现截场测生得的老标志煌点(射3利个惩)的黄大地尖坐标炎对拼摸接好筋的点筐云数默据进酸行坐敏标转筒换，居以使伤扫描晶得到哪的点胸云数煌据与送现实脊场景书的方禽位、闭位置屿完全垃一致伏。番对获精得的配点云泼数据祥，根还据需末要可峡以进屿行长班、宽屑、高星、面复积、泥体积午等几废何甜数据杠的量跪测；醒可以需进行廊断面张图、杠投影臂图、劈等值规线图倦的生会成；备在地体质调抬查应厌用中把还可第以获疯得扫臂描岩郊体的俊层面忧产状串、危诊岩体虹的空牲间精喂确三味维坐缸标等荡。点溜云数伸据的碎后处捡理还秀可将倒点云屋数据恰模型标化荷生成毯三角伞面片总，编纽辑生棋成的爱模型心可以哑删除粪没必戴要的楼三角滴面片涌，弥获补没锅有扫有描到原的漏竖洞，条进行随模型稀表面蛛光滑至、局屡部或竭全部鞋三角马面片现的压帽缩等篇。该违软件晋提供柏了大烦量常雕用的驳数据届转换窜输出趋接口惯，可员以轻秧松地迁将模脏型及君量测游数据违转换毁成常腹用软队件的晋格式婚，如扛Au摔to严CA硬D品等。守3赶三维败激光庭扫描灰技术冷在高他陡边映坡地规质调僚查中贴的应垃用击随着棕我国权水利辜水电绍工程撇建设闲的规竭模越鸡来越铺大，瞎遇到湾的高京陡边鸡坡等笛工程弃问题窝也咳越来够越多略。这间类边升坡多岸高陡干险峻招，目哲前的娃水电负工程垃边坡绪可达赤到数少百米粮甚至山近千宋米，验对于悄这类于边坡底的地截质调瓶查、缘测量嫁工作帐难以趋开展哲，传愤统的现测绘姨、地祝质调窑查方比法费悉时、沟费力挑、危昌险并砌有时硬很葵难得道到令禽人满魄意的棕结果坝。三引维激盘光扫泻描技杜术在息变形肠监测阔、地较形测将量、故工程耀开挖脱、数夜字地猴形建殖模、必地质法调查的、减闪灾防尼害等镜方面岛的应弹用，妙中、歼长距慕离三聪维激钟光扫顿描技誓术的图出现站与发耽展，陆为高帅陡工盈程边掉坡调吴查提萍供了涨一种烫新的猎解决妨办法咱，是逐对传推统测免量方怖法的饭有益的补充淋。舍3.抖1镰地筋质结萝构面狗产状玻测量驱在地佛质调承查工擦作中天，结腿构面寄产状式是最锹基本倘的地慕质参扁数。天但现门场结顺构面愈尤其哄是长哗大断挂层，拿其产规状通纵常具呆有较虫大的候变化停，或新由于青某些韵地形辆因素老一些动重要拜结构焰面的举产状炕难以租直接苗近距脾离量叮测。腊上述宿情形倦都使亲获得脸结构欧面的垂准确项产状聚成为宇难题索。三西维激扁光扫杯描测办量为嫂这一调问题牛的解规决提粥供了餐有效换手段睛。三神维毕激光竞扫描腥利用昏软件茫中生波成的归拟合以平面秧工具避可以箱模拟依地质优结构境面，闯进而熄计算盏结构雷面产腹状，塔其效男果极住为理维想。语图2党给证出了简激光亿扫孤描点屡云模苍型。邻首先拾将要涂测产进状的夸结构碰面点隐云数鹊据选台中育(府见图丈3)西，然吐后利风用软辉件提慎供的慨按选染中点绢云生四成拟预合平裤面功晋能，膜生成雁一个友平面弦(慧即模奇拟的到结构斯面藏)船，接齿下来都显示携该平剩面在倾系统划中的枝方程附参数反(尝见图猜4)姓，即算平面楚一般业式方虾程为摩Ax辈罩+谊By坑俯+习Cz胖刃+窑D口=乎0伙(1伤)鉴式中扬：驻A引，山B芝，龟C雹，胶D宗均为顷参数驱，其词中献A代，撞B宪，水C度组成议平面剑法向坑量坐滔标视n棒，即典n虚={共A捧，串B怒，排C秧}雨。在直扫描奥点云货坐标战系统满中，顿y索轴与盼N么方向葵对应丘，土x凝轴与售E衰戚方向工对应绝，z欺轴惹为垂俊向方级向，慧由此智可求迷出相辟对准盘确的鹊结构雨面产旁状了阵。结帮构面纷产状冻计算真成果欲见表粉3。测图2倦激政光扫宁描点教云模顺型侮图3死选渣中结浩构面0烫图4扮结垂构面脆方程因参数叹3.芳2鞋高往陡边糖坡地破表节巡理裂养隙调书查和嫌辅助葡地质啊编录漠西南耗地区挣高边蚂坡稳庆定性协评价星中，监通常新会遇亚到由帽于边般坡过舍于高负陡(诸甚至翁悬崖靠)而克人力抗难以董企及哪的情剥形。螺在这拼种情饱形下适，要领查明晨边坡殿的岩幻体结愿构特础征，局尤畅其是位结构市面的唐发育情情况搜是非困常困须难的攀。三纹维激底光扫但描技弃术的废应用线，为镰这一配难题油的解净决提僚供了停极为浩有效华的途扇径。像图群5晨雅砻沈江上推锦屏奇I虹级电柜站进询水口识边坡值雅砻估江上液锦屏促I痒级得电站链右岸谎进水故口上叠部边基坡(旷见图惯5)聚呈现借陡崖莫状，乔高近伯20牺0惧m，链现场奥不具讲备攀打爬钓条件度，这隙为该稿部位彼的结塔构面乳调查减带来刘了极维大困矮难。咏采用青三维捕激光项扫描扑系统松开展称地质碗调查稼工作诉，获蚕得边护坡点绢云数牲据共品由7抛1暮73灭1喊25滴个点皇组成俱。后劝期数功据处旨理完殖成了尘点云乖数据者的拼雾接匹藏配和税大地蹄坐标础转换议。在以所获佩得的壮扫描掏图像说中，渠对陡拐立边鹅坡坡芒表出驼露的萝长大准节理汇裂隙渗进行禾统计财，其袋方法燥是在竟处理星软件览Po佩ly缩W笔or寇ks愁8昂.0忙的搜IM刷In于sp摔ec环t顿模块芳中用鸡po合ly敞li硬ne通线镜将结付构面玻出露么迹线确描出室，并不量测脖出结勉构面资产状注参数筐。坦根据碗扫描棵数据扬及现乔场调舰查将驴节理昨裂隙斤按产遮状分久组(额见淹图6庸)，怖并将刘调查柄数据样导出锐到A月ut揪oC杆AD妇等眯软件普中，剃其快主速地荡质编洒录如雨图7倘所壮示。思图6堂点猜云数妥据中西的结脂构面戏产状豪调查孝图7趣快浅速地列质编查录A父ut乏oC只AD叹图薪除了谅高陡凶边坡街地表街的地稿质调呢查外标，近皇年来蓄在复欠杂地劣质条盏件下双进行身高陡愁边坡筹开挖绢的工屑程实臭践越制来越秃多，摘作业鬼面规花模越其来越蓝大，密开挖丹速度役也越遣来越嫩快，仰这就奏要求派对开饭挖工巡作面择进行影快速每的地烤质编作录，悲以满绕足工娃程进沾度的圾要森求。负应用截三维斩激光仁扫描什系统争开展游这方剑面的缩工作帐可以因大大欺提高抢工作个效率笛和精穷度。详在高唤边坡昼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