摘要：三维激光扫描技术是测绘领域重要手段，在地质测绘工程中应用广泛。其基于非接触的方式来进行高速扫描地质体表面和地表岩体的点云数据，实现对地质体三维形态以及空间结构模型的建立。此技术被广泛应用于边坡调查、采场测绘、地质灾害识别、矿山资源管理等。本文从工作原理、作业流程、优势特点等方面对三维激光扫描技术进行了介绍，并对该技术的使用进行了探讨。

　　关键词：三维激光扫描；地质测绘；点云数据；地形建模；岩体结构

　　地质测绘工作的根本目的是获得相应的资源勘查、工程规划及灾害防治等工作的地表和地质体的空间形态、结构等方面的信息。伴随着矿产开发、基本建设工程和生态保护的需求不断加大，测绘对象越来越复杂化、立体化、动态化。传统的测量方式很难满足地形高差大、被树木或者杂物覆盖、环境比较险峻等。为此，就要求用新的技术和设备来完成测绘工作，其中三维激光扫描技术是一种较为常用且有效的仪器设备。三维激光扫描技术可以迅速获得地表处厘米级分辨率的点云数据，无须人工加工就可以保证测绘结果真实可靠，为我国的地质测绘工作朝着数字化、可视化以及智能化的发展奠定了基础。

　　1三维激光扫描技术基本原理与系统组成

　　三维激光扫描技术利用了激光测距、测角原理，把发射出去的激光束投射到目标表面，通过测量接收返回至仪器端的信号和相应角度值，获取目标表面各个测量点的三维坐标，通过计算获得目标表面每个数据点对应的二维坐标值。其系统是由激光测距单元、精密角度编码器、控制处理器、电源模块、配套软件等组成。在扫描时，设备按照设定的角分辨率，绕水平轴、垂直轴逐点逐线地进行扫描，得到密集点云。在密集点云中每一点都有确切的三维坐标，部分系统可记录回波强度，即可获得目标表面材质的差别。按照工作方式不同有地面式、机载式、手持式三种，其中地面式因为相对稳定，精度较高，适用于地质露头、工程边坡等数据采集。完成数据采集后，使用专业软件进行点云拼接、去噪、坐标转换等工作，得到同一坐标系下的完整的三维模型，用于后续地质解译。

　　2地质测绘工程中三维激光扫描的技术优势

　　2.1可实现非接触式测量

　　三维激光扫描通过发射激光束并接收其从目标表面反射的信号完成测距，无须与被测物体发生物理接触。操作人员在远离目标的位置架设设备，即可对高陡岩壁、深凹采坑、塌陷边缘或松散堆积体等区域进行数据采集。在边坡稳定性存疑、岩体存在掉块风险或地表存在沉降隐患的区域，人员无须攀爬或靠近危险部位。扫描作业在安全距离外进行，避免了因踩踏松动岩块、触发局部滑塌或跌落造成的安全事故。设备通过光学方式捕捉地表形态，即使目标表面湿滑、松散或存在积水，也不影响测量实施。

　　2.2点云密度高

　　使用三维激光扫描系统在单位面积范围内测量大量点，获得密集的点云数据。岩体表面的所有细小起伏、微小裂缝、凹坑及凸起处都经点云准确测量，表面纹理也得到了还原；点云文件中可以清晰地呈现出岩体节理面走向线、断层擦痕线和层理连续性的几何形态，准确清晰地反映出风化剥落所造成的不规则边界；高密度点云可完全反映出岩体结构连续性和间断性，密布密集裂隙带部位的点云组成了带状线性特征分布，破碎区出现了点云间高程起伏和表面粗糙度增加的现象，即便是一些岩石表面基本一致的岩体，在没有颜色和纹理变化情况下，同样能从点云的高程上看出内部岩体结构的情况。

　　2.3数据获取速度快

　　三维激光扫描设备可以在单站架设后快速完成被测区域的全部扫描工作，且可以自动扫描，无需要人工逐点瞄准和多次设站调整；对于中等规模的边坡、采场局部区域，一次扫描约几十秒至几分钟即可获取全部点；多站联合扫描中各个测站之间可以同时进行数据采集作业，无须相互等待，外业时间会大大缩短。在天气许可的情况下，可一整天连续不断地对多个区域完成采集任务；设备运行之后自动开始进行旋转发散式激光扫描，同时记录下相应的角度及距离参数，保证了连续不间断的数据输出；采集过程自动化程度高，人为干预少。

　　3三维激光扫描在地质测绘中应用

　　3.1高陡边坡岩体结构调查

　　高陡边坡岩体表面在三维激光扫描，得到的点云中呈现完整的连续面。岩体中发育的节理、裂隙、断层、层理等面状结构面以及线状结构面在点云形态中清晰可见，其空间延伸状况明确，采用三维空间量测可直接获得走向、倾向、倾角及相互距离。密集裂隙带表现为点云表面上分布比较密集的线性凹坑，破碎带表现为点云表面高程突变处或点云表面粗糙度突然变大的地方。软弱夹层表现为点云表面颜色或回波强度突变或不同，局部鼓起时，表现为点云表面向外凸起的曲面；局部掉落或剥落时，表现为点云表面凹进去且颜色跟新暴露断面颜色不同的曲面，都属于典型的表面现象，均有明确的几何边界和空间位置，在点云上都可以观察到。从扫描结果中可以提取出边坡任意方向的剖面线以及通过统计各个结构面产状绘出该方向上的结构面方位分布图。全貌边坡岩体的结构以三维数字化的形式得以保存，直观反映出该高陡边坡岩体真实的三维结构。

　　3.2露天矿山采场地形测绘

　　露天采场在点云数据中呈现多级台阶交错分布的立体格局。各级平台表现为高程一致的平坦区域，坡面为连续倾斜的曲面，连接平台的马道呈缓坡带状，运输道路沿台阶边缘或贯穿采场内部延伸。采场当前开挖前沿与未扰动岩体之间存在清晰的分界线，边界平直或呈弧形，依开采方向而定。排土场堆体在点云中呈锥形或扇形隆起，表面坡度由顶部向边缘逐渐减缓，局部区域可见细小裂缝或滑移痕迹。尾矿库滩面表现为平缓倾斜的沉积面，坝体为人工堆筑的高耸结构。对同一区域进行多次扫描后，各期点云在空间上可进行精确对齐，采场底部高程下降、边坡位置外移、排土场体积增长等变化在三维模型中直观可见。台阶的形成、合并或废弃，边坡的局部变形，堆体的扩展趋势，均以点云形态差异的形式被记录，整个采场的地形演化过程通过时间序列点云得以复现。

　　3.3地质灾害隐患识别与监测

　　滑坡体在点云中表现为整体位移的土体或岩体，后缘常发育张拉裂缝，呈线性开口，两侧壁面清晰；侧翼可见剪切带，表现为高程突变的陡坎；前缘区域则呈现鼓胀隆起的曲面形态。崩塌危岩体轮廓完整，与母岩之间存在明显分离缝隙，底部部分悬空，点云中可见支撑面积减小。采空区上方地表在点云中常出现环形或放射状裂缝，裂缝两侧高程不一致，局部区域形成塌陷漏斗或沉降洼地，边缘陡峭。对同一灾害体进行周期性扫描，各期点云经空间配准后，可逐点比较高程差异。地表拉裂区域的宽度扩展、鼓胀区的高度增长、塌陷坑的体积扩大等变化，均以点云高程差值的形式呈现。灾害体的整体位移方向、局部变形速率及失稳发展趋势，通过多期点云的形态演变得以反映。危险区域的动态变化过程以三维空间数据的形式被连续记录。

　　3.4地质构造与露头精细解译

　　地质露头在点云中完整地保持了它本身自然表面形态。褶皱构造表现为岩层连续的弯曲曲面，可以拟合出褶皱对称面确定轴面，枢纽线沿褶皱走向展开延伸；断层是在露头表面形成的线性错断带，两侧岩层产状不同，断层面为直条状或波浪状，有的区域可见擦痕、阶步等微细构造；节理多为脉状条带，呈散乱分布或点状集中，多条线束且走向较稳定，延伸长度较长；不同岩性的分界面常表现为颜色突变带、粗糙度突变带和回波强度突变带；沉积构造交错层理形成内部纹层呈倾斜面，泥裂呈多边形网状凹陷。点云模型可以从任意角度观看露头，任意方向切分得到剖面，直接量测地层厚度以及地层的产状和构造要素，露头的三维几何信息也以数字方式被完整保留。

　　3.5矿山生态修复与复垦监测

　　复垦区域在点云中呈现人工改造后的地形特征。梯田表现为多级水平或缓坡平台，边缘由挡土墙或土埂围合，墙体表面平整，高度一致。排水沟沿坡面或平台边缘布设，沟底与沟壁形成规则的“U”形或梯形断面。植被覆盖区域点云密度较低，表面粗糙度小，颜色均匀；裸露区域点云密集，高程变化明显。修复区边界在点云中清晰可辨，与周边未治理区域形成对比。对同一修复区进行多次扫描，各期点云对齐后，梯田是否被破坏、挡墙是否坍塌、排水沟是否淤堵或改道等变化可被识别。植被覆盖范围的扩展或退缩、地表是否出现新的车辙或堆土、修复区边缘是否发生侵蚀或滑移，均以点云形态差异的形式记录。修复工程的实时状态与后期变化通过时间序列点云得以客观反映。

　　4三维激光扫描技术应用实施要点

　　4.1测站布设与控制测量

　　测站布置要求覆盖全目标范围，避开局部遮挡及设备视距阻挡的地方；高陡边坡、深凹采坑或地质构造复杂的地区可多设几个测站，相同目标从不同的角度去扫描，同一测站要保证有足够大的重叠区域，为后期做点云拼接做好准备。测站应选在坚实平滑地面上，不得在重型机械作业区或者松散堆土区附近进行点云扫描，以免引起地面的震动使三脚架出现晃动而影响数据采集的质量。为方便后期三维建模，应在稳定的地基上安装好三脚架，确保支立稳当且不移动。控制点应布设于测区周边，并根据测区内地形起伏情况在测区内适当增加布设的数量。控制点应该选择平整的表面和光滑的程度适中且和其他的环境颜色有明显区别的位置，便于后期通过点云发现该点位。控制点坐标的获取可以通过高精度测量仪器获得，在气象条件相对稳定时测量，严格按照规范去完成观测工作，并将获得的所有控制点坐标都整合进扫描系统的坐标参考框架，用作点云坐标转换的基准。在外业的时候要对各个点位做好详细的记录，其中包括每个点位的具体位置、拍照的照片以及测量的时间。

　　4.2扫描参数设置

　　扫描参数影响点云密度、覆盖范围和采集数据量。扫描分辨率决定激光水平和垂直方向采样间隔，高分辨率可更好捕捉岩体表面极小裂缝或风化痕迹，但会增加单站扫描用时，获取完整扫描记录时间更长；快速了解较大范围地形情况时，可降低扫描分辨率。扫描范围稍大于实际测区面积，保证边缘处精度。扫描方式可选全幅360°扫描或定向扫描特定区域，检测复杂或难穿透部位可多次变换仪器方向扫描填充空洞。回波记录模式设为多回波记录，保存多个回波以利于点云处理得到地表点。扫描速度和精度根据现场情况调节，在保证点云质量同时提高工作效率。参数设置完毕后先试扫，观察点云覆盖程度和密度是否满足要求，再调整。

　　4.3野外数据采集

　　野外地数据采集之前要检查好自己的设备电量、设备内部存储空间、设备的激光发射窗口是否干净、设备的角度编码器是否归零。通电之后开始自检程序，若一切通信无异常则开始架设三脚架，把三脚架放在确定的测量站点上，调脚螺旋使三脚架上的水准气泡在中心位置，保证设备稳定。启动扫描程序后，设备开始旋转发射激光并记录回波，这时由操作人员在旁观察设备运转情况和周围环境情况。单站扫完之后关机收好设备，再小心搬卸转移到下一站上，重新进行架设整平。多站作业时需要记录好每个站的编号、相对位置以及每站的扫描起始时间和结束时间；外业结束后要及时将原始数据文件导入专用存储器，并进行双备份；同时要填好外业日志记录当时天气情况、当时的风力大小等级，此测站测点布设情况、该站的控制点编号，有无出现异常现象等问题。需要注意的是，在作业过程中切记不要将设备放置在较大的风力或者雨水、沙尘暴、高压线下面等地方进行扫描作业。

　　4.4点云数据处理

　　点云数据处理先进行多站拼接，用测站间重叠部分的公共点或者控制点坐标，把各个站的单独点云全部转到同一空间坐标系下；然后将整体点云中的噪声去除，把由于飞鸟、昆虫、气流或者设备反射等原因引起的各种异常点去掉；再进行滤波，根据点的高程变化情况和局部曲率以及临近分布特点，将点云分成地面点云和非地面点云；其中地面点云是表示地表最基本的形态，非地面点云则包括树木、人工构筑物、设备等，在此基础上再对非地面点云进一步细分，分成不同的地物类，最后利用三维可视化的人工手段检测，修改算法误判情况，如将松散堆土误判为植被、边坡岩石误判为人造结构等。处理后的点云应结构清晰、分类正确、无大空洞和多余噪声点，组成完整三维空间数据集。

　　4.5三维建模与成果输出

　　三维建模在处理后的地面点云基础上，采用三角构网算法连接相邻点，建立形成无间断表面模型，真实反映出地面高低起伏形态，如台阶、边坡、沟谷和土体堆积等地貌特点。模型能够进行任意方向剖切出横纵剖面线，计算两点之间距离或者多边形面积以及封闭区域的体积，提取高程等值线，并且成图可以输出成各种格式的数字高程模型和生成等高线图、三维地形图、边坡剖面图、结构面的空间分布图等。除台阶边界线、采剥前沿线、沉降区域范围等以矢量形式表现外，其余成果都具有坐标信息，可直接输入通用地理信息系统平台或者专业地质建模软件。在集成环境下，还可扫描模型叠加到勘探数据、地质图件、遥感影像等其它空间图层上，融于同一场景，作为地质分析的一种可视化手段。

　　5结语

　　得益于高精度、高效率、非接触的特点，三维激光扫描技术正逐步改变着地质测绘的模式，在边坡调查、矿山测绘、灾害监测和构造解译等方面所发挥巨大作用。不同层面所获取的大量地质数据也为地质工作提供了前所未有的三维视角和数据基础。目前激光扫描还存在着成本高、数据处理难度大、难以穿透过植被等问题。未来，需要通过探索多源数据融合和多模式相加来提高效率。现阶段多学科交叉融合成为必然趋势，与地质专业的对接是维激光扫描发展方向，将推进地质测绘朝着更加数字化、智能化、精确化的方向发展，在保障资源安全、工程安全、生态安全等方面具有重要作用。