2012404137黄基成中文翻译

三维激光扫描测量技术在岩质边坡地质勘察中的应用

摘要

三维激光扫描技术的出现是测绘领域最重要的技术革命之一。它可以广泛地应用于工程建设和三维测量等许多相关领域，而且具有高效率、高精度的特点。目前对它的应用尚处于起步阶段，在国内也很少使用，特别是在岩土工程和地质工程领域中的应用。本文首先介绍了三维激光扫描技术，研究了如何将该技术应用于岩质边坡的研究。通过案例研究的方式，利用测量的原则和方法对发生不连续现象的斜坡进行了快速的讨论和分析。分析结果表明，三维激光扫描技术在岩土工程与地质工程中的应用具有广阔的应用前景和价值。

关键词：三维激光扫描系统，点云，高陡边坡，岩体结构。

1. 简介

随着我国西部大开发政策的实施和对西部电力输送的需求，一系列与水利水电工程有关的重点工程正在快速建设和规划。这些工程规模越来越大，相应开挖的边坡也越来越高。作为岩体力学问题中一种重要的问题——边坡稳定性问题，它限制了工程施工的可行性，并影响了施工的安全性。评价高陡边坡稳定性通常是基于对地质构造条件的研究（黄等人，2007，2004）。水电资源在高山区和非常陡峭的山谷中是可以被广泛利用的。但对它们进行地质调查是非常困难的，因为它的目标位置几乎是不可能被研究人员确定的。此外，在工程建设过程中，还需要使用现代机械对开挖边坡进行快速开挖施工。所以如何提高地质调查的效率和精度就成为一个非常重要的问题。为了解决这一问题，必须采用一种新的地质勘查技术，其特点是高效、高精度、适用性强。

针对上述难题，国内外研究人员提出了一些技术手段，如数字摄影测量（李等人，2004）和数字图像判读（范和李，2005），在许多工程建设领域中都得到了应用。但所有的技术方法都需要重新处理，虽然已经采用了数码相机图片，但该处理还是是复杂，而且精度会降低。此外，他们还需要大量的实地调查（陈等人，2002）。他们有太多的难以改正的问题。因此，它们不能得到进一步的广泛应用。

但是，三维激光扫描技术，可以有效地解决上述问题。它也被称为实景复制技术（范等人，2004）因为它能真实地复制扫描物体的图像并且迅速的给出物体的三维坐标数据。该技术以高精度、高速度、高精度的特点为主。该设备可以直接从对象中提取真实的三维数据，重建对象模型。全过程不需要任何表面处理。并且最后处理的点云数据也是可靠的，由于通过激光扫描的对象可以得出其真实数据。因此，该方法被广泛应用于工程建设和三维测量领域，如土木工程，保护历史建筑，保护文物，工厂重塑，城市规划（程和梁，2004）。

三维激光扫描技术是国际上关注的热点领域，将这一先进技术应用于高陡边坡地质调查，对工程建设具有重要的现实意义。

2. 三维激光扫描技术在工程中的应用

如今中国水利水电工程建设的规模越来越大，高陡边坡工程问题也越来越受到重视。由于危险的地质条件，这些斜坡的数据调查是困难的。一些工程边坡达到几百米高，有的甚至高达近一千米。传统的地质测量方法和调查方法效率不高，而且测量结果精度也不高，所以不能令人满意。三维激光扫描技术的出现和发展为工程边坡的研究提供了新的方法，无论是中、长距离。它使边坡测量有更多的方法可行的选项（马，2005）。

3. 在工程中的定向应用

三维激光扫描技术可以得到目标物体的三维数据，虽然在复杂的场景条件下。该技术在某些方面还存在缺陷，需要不断改进，如扫描场景的定位问题。但通过转换大地坐标，到目前为止，这个问题已经被解决。不同类型的激光扫描仪有不同的大地坐标转换方法，但都有着相

同的原理，即首先选取三种典型的点云扫描场景，并在三点确定大地坐标。通过使用这种方法，可以扫描得到的所有点的相对坐标，并且在最后它们可以被转换成大地坐标。但这一过程需要多次的土地测量。并且在垂直或水平方向的岩石质量结构的测量，通常受一些操作条件的限制，坐标转换精度的影响。并对测量结果有相应的影响。

虽然一些类型的激光扫描仪可以自动调整自己的水平面，但他们并不能设置自己的方向。在实验的基础上，作者发现了一个简单的定位方法：使用地质罗盘在加拿大OPTECH公司制造的ILRIS 3D激光扫描仪的辅助下。并利用这种方法，即使在是在一个小的空间，也可以得到一个良好的方向性结果。该方法还可以快速扫描确定载荷情况和大地水平面坐标。得出激光扫描系统坐标系中的岩体结构参数和垂直或水平距离。操作过程如下：将地质罗盘放在三角架后的头上，凭借着控制中心的水泡，不断调整英尺数，直到三角架的头部保持水平；固定的扫描仪，但不要把它固定的太紧密，以便于自由旋转；然后，检查扫描仪底座上的两个水平水泡。如果他们不在中心，重新调整三脚架。由于ILRIS 3D三维激光扫描仪的形状大致呈正方形，其扫描轴（Y轴）平行于扫描仪的侧壁。同样的道理，轴是垂直的，侧壁和轴也是垂直的（图1）。扫描轴（y轴）与北方向的角度α之间有一定的关系，因为所有的扫描数据都将在轴附近旋转（-α）度，以符合目标方位。指南针的扫描方向精度很低，原因有许多方面，如指南针本身的精度和自身错误。对于低精度的另一个主要原因是，定位过程是在同一个地点完成的，特别是在有一个广阔的空间情况下。在一般情况下，二级误差和方向误差均要小于1度。这些错误在于三脚架是否水平或角度（北方向）是否是准确的。有些做法如表1所示。这种方法在大地坐标测量精确的条件是适用的，但不可用在一些现场测量或需要快速测量的地方，因为精度度不高。

4. 岩体发生不连续现象的测量

岩体结构面数据地质调查中最基本的调查数据，它的数据往往多而复杂，特别是长时间、大断层岩体的一些重要数据是由于特殊的地形很难测量。以上诸多因素使获得精确的岩体结构面数据很难。而三维激光扫描技术可以有效地解决这些问题。虽然三维激光扫描系统软件（UG 8）不直接提供工具来测量岩体结构面数据，但数据可以用软件中的“平面”工具测量。一个指南针可以克服这种方法的缺点，因为在这个时刻，数据测量可以仅在一个单一的点位完成。它的结果是完美的（在图2，3中示出）。首先，在处理软件中选择岩体结构面的点云。其次，平面是由点云构成的，它可以使用软件中的“平面”工具模拟岩体的不连续性。最后，通过这些平面方程的参数，可以计算出的岩体质量不连续发生的方程。平面方程如下，Ax+By+Cz+D=0，A，B，C，和D是参数。它们构成了平面的法线向量坐标：n={A, B, C}。在激光扫描系统坐标系中，南轴与北对应，西轴与东轴垂直。所以很容易计算出准确的岩体结构面发生的情况。结果如表2所示。

5. 高陡边坡地表裂缝及地质资料的研究

在一般情况下，我国西南山区的一些斜坡太陡，得到的数据是不准确的评价。在这种情况下，如何探索岩体结构面是一个重要的问题，特别是在岩体不连续情况下保证岩体结构面位置的准确性。然而，三维激光扫描技术的应用提供了一个非常有效的方法解决了这个问题。

一个在雅砻江电站进水口的边坡（图4）很陡，高约200米。因为坡度几乎不可能攀爬，所以很难对该边坡的岩体结构面进行调查。采用三维激光扫描系统对该边坡进行地质调查，在现场扫描过程中，获得173点125点7点的数据，耗时三个小时。对这些数据进行处理，对在陡峭的斜坡表面较暴露的、较长和较大的关节的图像进行了调查。岩体结构面轨迹的测定是先使用了IMInspect“折线”工具和是Polyworks软件模块，然后对其进行测定。这些关节可根据扫描和测量数据（图5）来归类，并且它们也可以输出到AutoCAD软件（图6）。

除了应用于高陡边坡的地质调查外，它还可以应用于很多其它的工程。因为工作面的规模变得越来越大，而且适用的工程也正在增加，所以需要加快软件更新来适应更多工程。为了满

足上述要求，本文将三维激光扫描系统应用于这一领域。实践证明，这大大提高了工作效率和数据精度。三维激光扫描技术在边坡开挖中的应用，主要有助于查明岩体结构面分布和几何参数的规律性。

6. 快速创建高陡边坡地形图

绘制地形图是工程设计与施工的前提和基础。随着科学技术的日渐进步，测量设备和方法也发生了巨大的变化。此外，地形图测绘的效率和精度有了空前的提高。但它仍然很难满足一些特殊地点地形测量的效率和精度，如不可攀登的悬崖。三维激光扫描技术作为地形测量的新方法，可以提高效率和定位的准确性，如以下示例所示。

岷江河水电站引水隧洞的顶部附近的出口已经部分坍塌，从而导致破碎的岩石和相应的边坡表面局部下沉堵塞隧道。事故的发生，极大地影响了施工的进度和安全。因此，对事故的处理十分必要和迫切（图7a）。由于基坑开挖和支护，初始地形和现有条件之间存在较大的差异。因此有必要对边坡的地形图进行快速测量。传统的调查方法需要大量的时间和人力资源，但施工时间有限，没有更多的时间等待。针对这种情况，利用三维激光扫描技术，可以解决上述问题。

花了约两个小时扫描斜坡，最后，对9点949点507点的数据进行收集（图7b）。在大地坐标转换后扫描点云数据，扫描的三维数据创建的地形图中的轮廓之间的垂直距离是一米（如图8所示）。

利用激光扫描数据生成的地形图，与传统的测量方法比较，尤其是在陡峭的斜坡和崎岖不平的表面，更能反映地形的细节。此外，扫描的数据还可以快速创建精致的斜坡剖面轮廓。7. 其他应用程序

三维激光扫描技术还可以应用于边坡变形监测中，因为它具有较高的精度，在边坡变形远大于点位的测量误差情况下，可以快速处理大量的数据。不稳定的斜坡会定期扫描，从而可以通过扫描图像间的对比显示边坡变形的趋势和幅度。三维激光扫描技术在边坡变形监测中的应用具有很高的优越性。一是不需要提前将监测设备埋在坡体中，可以节省时间和动力；二是方便快捷，因为测量装置不需要接触物体，减少了对侦查人员的危险；第三、不受施工和爆炸震动的影响；最后，监测结果反映了边坡变形的整体趋势，这就突破了传统方法的局限性。

对土石方体积的测量是一种繁琐的工作，但在施工期内是一项精细的工作。三维激光扫描技术在测量中的应用可以提高精度和效率。

总之，三维激光扫描技术可以应用在许多方面，特别是传统测量方法效果较差情况下三维激光扫描技术的作用很大。

8. 详述

随着三维激光扫描系统可实现远距离、非接触测量，对于危险或不可攀登位置的测量，该系统表现出了极大的优越性。此外，该技术突破了传统测量方法的局限性，因为它替代了“表面”的“点”测量法。三维激光扫描系统的主要特点是快速测量和高精度测量。后者的处理软件具有强大的功能，可以满足最需要的测量工作。此外，该系统具有二次开发功能。扫描数据输出方便，输出数据可用于其他软件。

然而，目前，三维激光扫描技术在某些方面也有缺点：（1）扫描距离和范围是有限的，因为安全的激光功率低; （2）盲点经常出现在扫描范围内，因为一些特殊的材料是不够敏感的感知激光光源的反射，如潮湿的地面和绿色植被，这对激光扫描巨大的影响; （3）在坐标系统转换期间经常发生错误，而且难以避免这些错误，因为坐标系的调整方法是未成熟的（郑等人，2005，）; （4）它是难以分辨所扫描的对象的周围细节，因为激光光斑变大导致扫描距离增加。

像其他的技术一样，三维激光扫描技克服术正在经历发明，发展和成熟的过程。虽然它有一

些不足之处，但随着未来技术的发展它们将会被克服。

9. 结论

三维激光扫描技术是测量领域中的一种新方法，它突破了传统的“单点”测量方法（毛和王2005）的极限，并指出了新的研究方向。三维激光扫描技术的出现和发展是一个重要的技术革命。在测量领域的全球定位系统－GPS程序应用后，它可以将调查研究的内容、方法推进到一个新的发展阶段。三维激光扫描技术在岩土工程和地质工程中的应用，利用激光扫描技术对岩体结构面参数和开挖面快速计算，进行详细的研究，为解决工程问题提供了新的方法。目前，三维激光扫描技术还处于发展阶段。虽然它有一些不足之处，但更有广阔的应用前景和未来。

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