三维激光扫描仪在地质灾害中的应用

三维激光扫描仪在地质灾害中的应用

本文通过两个案例的简单介绍，从实际应用出发概括的介绍三维激光扫

描测量技术在地质灾害现场勘察和应变处理方面的应用，讨论其在抢险救灾快速反应中与传统地质调查方法相结合的适用性与可行性，从中不难看出该项技术具有精度高、速度快、真实反映原型并能快速提取相关信息，其势必成为传统地质

调查方法的有益补充。

案例1：新疆果子沟雪崩抢险中的应用

2008年3月13日，新疆果子沟，西气东输二线果子沟一号隧道发生雪崩，导致正在施工的多人遇难和多人下落不明。中石油管道公司和新疆伊犁自治州全力投入到救灾抢险工作中，并发动和利用社会上最先进的技术进行救援。

中国地质环境检测院地质灾害防治中心的专家也赶到事故现场，并携带了Leica三维激光扫描仪参与现场测量和分析。在此次抢险中，三维激光扫描仪发挥了高速度扫描、高精度测绘、非接触测量的优势，为专家提供了详实的现场基础数据。

Leica ScanStation2在此次抢险过程中体现出的优势：

1、测量速度快。

在果子沟抢险过程中，因为天气和地质的原因，现场随时会发生新的雪崩和岩石崩塌，因此现场测量时间越短，仪器和测量人员就越安全。

ScanStation2的测量速度为每秒5万点，是同类扫描仪速度的的10倍，因此大大节约了现场测量时间，并保证了现场更完整数据的获取。

2、自动全景测量（360度X270度）。

山体和隧道的现场情况是非常复杂的，测量仪器的设置位置就非常有限，要考虑到即稳固又安全，同时测量人员能容易到达，所以更大视场角的测量设备会减少测量人员设站的限制，并可以一站获取更多的数据内容。这一点尤其对于山体的测绘显得更为重要，其他扫描仪产品往往只能测量40度左右视场角内的对象，对于较为陡峭的岩体，只能多次移动设备多次测量。

ScanStation2是一款基于全站仪精度标准设计的三维扫描仪，可以自动进行360度X270度的全景测量，并可以充分保证仪器工作时测量数据的准确性。

3、测量精度高；

测量精度的高低会决定后续数据结果的准确与否。三维激光扫描仪的测量精度主要体现在两个方面，一个是仪器标称的精度，还有一个是结果点云的质量。较高的测量精度和较好的点云质量，会为后处理提供更准确的基础数据，并减少后处理的难度。ScanStation2扫描获得的点云均匀，细密，噪点少，为后续的处理提供了很好的原始数据，保证了数据结果更准确。

4、恶劣环境下稳定工作；

在这次抢险工作中，工作现场海拔2000米，局部工作区域温度低，低于0度以下，还有部分区域有大量渗水。ScanStation 2在这样的环境中稳定的完成了工作任务。

5、非接触测量，更安全。

抢险过程中，很多区域仍然非常危险，为了避免振动引起的雪崩及山体滑坡，并为了保证救援人员的安全，很多测量无法靠近完成。因此非接触的测量显得尤为重要，Leica ScanStation2通过非接触的激光扫描，远程完成了现场数据的采集，让数据保存在笔记本电脑中，专家们可以在撤离现场时，直接基于测量数据进行量测和结果处理。

测量数据的利用和处理：

1、基于点云的量测和分析。

海量点云可以将现场情况完整、直观的通过笔记本电脑带回到办公室中。点云数据是完全的三维空间表达，可以方便查看、量测距离和角度、面积及体积分析。ScanStation2 还可以通过自带同轴相机完成现场场景的照片拍摄，并通过Cyclone软件自动渲染到点云上，让点云表达更直观。通过ScanStation2高质量的点云可以量测岩石裂隙的尺寸，并确定走向，同时可以获取冲沟的几何形状。直接为岩石稳定性分析及泥石流现状分析提供了基础数据。

测量得到的彩色点云

2、快速生成现场详细地形图。

点云数据通过Cyclone软件可以快速转化为高质量地形等高线图。方便进行量测、分析和计算。重要的区域还可以生成地质剖切面，从而可以进行更详细的稳定性分析。

自动生成的隧道口地形图

3、基于地形模型进行土方量的计算和分析。

通过采集到的三维完整表面点云信息，Cyclone可以快速构建TIN网，方便进行空间运算。结合变化前的地形图，可进行地形的变形分析。结合参考面和施工标准面，可快速进行土方量的计算，从而提供完善的三维数据基础供分析使用。

4、构建实体模型和切面。

对于复杂实体的分析，基于ScanStation2测量的数据，可以构建实体模型，进行体量、外形分析。并可以方便的通过Cyclone进行剖且，完成切面分析。

通过点云自动生成的三维隧道Mesh模型

总结：在此次抢险工作中，Leica三维激光扫描仪充分发挥了扫描速度快，数据精准的作用，后处理Cyclone软件也体现了功能全面，使用简单的特点。从地形测量、山体岩石测量到隧道测量，Leica三维激光扫描仪都发挥了重要的作用，为本次抢险工作提供了准确、完整的基础数据。

案例2：都汶公路抢通中的应用

都（江堰）汶（川）公路是一条高等级山区公路，同时是连接都江堰与汶川县城的主要干道，溯岷江而北上，全长108km。强烈的汶川地震导致了公路两侧大量崩塌、滑坡等地质灾害发生，严重阻断了交通生命线，由于公路沿线河谷狭窄、山高坡陡、表部岩石破碎，又适逢雨季来临，崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害为震后抢险救灾及地质调查工作带来极大挑战。三维激光扫描仪在都汶公路快速抢通的抢险救灾快速反应中表现出了该项技术具有精度高、速度快、真实反映原型并能快速提取相关信息，的有利优势。

三维激光扫描测量技术的特点

在目前各种测量手段和方法之中，相比之下，三维激光扫描技术来进行地质测量具有独特的优势，它能够完整并高精度地重建扫描实物，快速获得原始测绘

数据；可以真正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，具有精度高、速度快、逼近原形等优点。该技术归纳起来具有如下一些特点：

1、非接触测量

三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。

2、数据采样率高

目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数万点／秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点／秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。

3、主动发射扫描光源

三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源（激光），通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体数据信息，因此扫描过程中，可以实现不受扫描环境的时间和空间的约束。

4、高分辨率、高精度

三维激光扫描测量技术可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的，对于单点测量精度也完全满足一般测量需求。

5、数字化采集，兼容性好

三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能够与其他常用软件进行数据交换及共享。