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工程测绘

三维扫描在洞穴测量中的应用

文字:[大][中][小] 2019/12/17     浏览次数:    

三维扫描在洞穴测量中的应用


我国是世界上洞穴资源丰富的国家,也是世界旅游洞穴开发数置最多的国家。我国的洞穴分布广泛、资源丰富、数量庞大、类型多样、特色鲜明,但是对洞穴的调查与实地测绘工作却比较薄弱, 洞穴科学研究较为滞后。  

本文将结合本次对洞穴进行的实际测量工作,介绍利用三维激光扫描技术进行洞穴测量的方法和步骤,为洞穴测量工作提供一种新的技术方法。这一研究不仅提高了洞穴测董的工作效率和工作精度,而且为洞穴内部地貌与地质体形态三维可视化构建、虚拟洞穴内部地理场景构建、洞穴地理信息系统建设提供数据源,为洞穴数据库建设、洞穴景观旅游开发、洞穴环境与景观保护、洞穴考古等提供直观精密的基础数据。




洞穴测量方法优选
传统的洞穴测量的主要成果是洞穴图 , 一般由洞穴平面图与剖面图组成。洞穴图能够反映洞穴基本形态、规模以及空间展布情况,因而洞穴图是各个专业人员进行洞穴研究的工作底图。

洞穴测量的方法有很多种,选择哪种测量方法与洞穴测量精度要求和洞穴的形状有关。较为传统的方法是罗盘、倾角计测量法,这种方法比较适合对洞穴测量成果的精度要求不高,洞穴空间狭窄,洞内弯曲多、起伏大、洞穴形状不规则的洞穴。如果对洞穴测量成果的精度要求较高,洞内地貌环境条件较好,则可以选抒计算机辅助测距仪、全站仪的测量方法,这种方法的优点是测量精度较高, 测量数据实现电子存储并可以在洞内进行数据检查。如果条件允许,可以与洞外测量基准点联测,从而得到洞内各测董点的真实三维坐标。缺点是对洞穴内部地貌条件要求较高,测量工作量较大,速度慢,而且洞穴内部地形复杂,这种方法又要求施测人员必须在洞穴特征点上架设合作目标,加大了测量工作的难度与危险性。

三维激光扫描测量方法克服了上述方法的不足。它不需要测量人员在测量点上树立测量合作目标,减少了工作难度与危险性,而且以每秒成千上万个点的速度获得测量点云,大大的提高了测量效率。



Trimble 三维激光扫描仪在洞穴测量中的应用
1、洞内测量
野外实地扫描之前,对洞内地形和重点岩溶体进行详细踏勘,初步规划好导线布设线路和测站位置。 因为Trimble三维激光扫描仪将三维激光扫描技术与全站仪技术融合在一起,为更完整的扫描洞穴形态和重要地物,采用边扫描边布设导线的方式进行测 盘,根据实际情况调整导线线路和测站位置,但每站都进行严格的误差检验。在施刹过程中采用扫描仪配合前后两个占标的方法布设导,一线站扫描完成后, 搬站到前视架站,原测站安装占标变为后视,后视占 标撤除变为前视, 以备作为下一测站。这样每一测站测得的点云均为同一个坐标系统,内业处理时每一 测站所测得的点云不需要人工拼接,所有点云结合一在起,洞穴三维立体图像就能够显现出来。
在每一测站的扫描过程中, 对于本站扫描范围内形状简单、不含有重要岩溶地质体的部分,如入工开挖的巷道, 将扫描点云设置的稀疏一些, 以提高扫描速度;对于需重点测量的部分, 如岩裂隙发育的石笋、石柱和钟乳石群, 则将点云密度增大,提高测量精度。
  
2洞穴图件制作
野外数据扫描完成后,在内业利用内处理软件 RealWorks进行数据处理。沿扫描点云中洞壁与洞底交接处的点勾绘出洞穴平面轮廓线,再导成•.dxf 格式文件,从而得到洞穴平面;图任意角度切割点云,沿点云勾绘断面线, 导成*.dxf格式文件,从而得到洞穴断面图。

3洞内岩溶体量测

对于岩溶洞穴中较大的石笋或石钟乳的精确测,常量受到地形条件的限制而无法得到准确的数值,利用三维激光扫描技术可以解一决问这题。在内业利用RealWorks软件,可以准确量取洞穴内部扫描到的地物。6图为冰壶洞瀑布出水口处石钟乳点云截图,利用该方法测得它的海拔高程44为6.69米,高5.26米,最大直径为4.20 米。由于该石钟乳距洞底有 20 多米高,洞底地形极为复杂, 利用其他方法很难测得它的准确数值。




4其他应用
所有扫描得到的点云数据可以在内业软件中进行任意切割、分离,并可以导 出为包含X、Y、Z三维坐标和R、G,B颜色值的文本文件。这样就可以Au在toCAD 和ArcGIS 等其他软件中使用,为洞 穴及内部地质体建三立维模型提供了扎实的数据基础,使建立数字洞穴和洞穴数据库成为可能。

在 RealWorks软件中,可以设置飞行路线,对洞内进行三维浏览,并可以录制成录像,从而更加生动的展示与宣传地质景观。

在RealWorks软件中,还可以实现感兴趣地物的体积董算,点云取样、过滤和矢董化,点云着色,提取线性地物,三维等高线及标注,三角网生成,任意形体建模,连续正摄影像等功能。


结语
1三维激光扫描技术的优点
通过该洞穴测量工作实践,体会到三维激光扫描技术在洞穴测量中应用,使洞穴测量精度与效率得了飞跃式的提高。按常规方法,无法等到如此精确而详细 的洞穴和岩溶地质体的形态数据,使原本辛苦和危险的断面测量工作在室内就可以完成,从而加快了外业进度,降低测量人员的工作强度,能快速准确的为各专业人员提供测量成果,为后期的洞穴调查、研究与保护创造了条件。


综上所述,三维激光扫描测量的主要优点:
(1) 三维激光扫描技术解决了不规则地质体的精确测量问题 , 可以对地质体进行无接触测是,一定程度的保护了地质体不受破坏。不受光线、地质体特征点所在地形和环境等限制,如陡峭石崖、有剧毒的地区、高温高压地区等。
(2) 可以常年定时观测 , 得到数据后进行建模 , 在室内进行对比研究, 考察地质体生长发育过程。地质体如果遭到破坏,也可以根据掌担的数据按原状进行修复。
(3) 野外扫描工作完成后, 可以将数据带回到室内进行洞穴平面图与剖面图的生成;
( 4) 在数据处理软件中 , 设置飞行路线, 对洞穴进行三维浏览并录制成多媒体,有利于地质景观的展示与宣传。


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