基于非接触测量技术的边坡点云数据获取

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　　摘 要：本文利用无人机及三维激光扫描仪来获取边坡点云数据，主要讲述非接触测量技术在边坡地质信息拾取中的作业流程及便利性。
　　关键词：无人机;三维激光扫描仪;点云数据
　　
　　1 总述
　　非接触测量技术是近年来出现的新技术，它包括数字摄影测量技术和激光扫描技术[1]。数字摄影技术方面使用较多的是无人机倾斜摄影技术，通过拍摄影像数据提供地形地貌特征;而激光扫描技术方面使用最多的则为地面三维激光扫描仪，可直接获取反映边坡表面地质信息的三维点云数据。
　　本文将以杨家山隧道某处边坡为例，采用无人机与三维激光扫描仪获取边坡表面地质信息，探讨如何将非接触测量技术用在地质信息获取上。
　　2 点云数据获取方式
　　2.1 无人机获取点云数据
　　本文用大疆无人机获取边坡影像数据，应用Pix4D mapper软件进行影像数据处理。使用无人机倾斜摄影测量技术进行三维地质模型获取的一般作业流程为：现场踏勘、航线规划、飞行作业、数据后处理。
　　（1）现场踏勘：该边坡长度大概有200m，坡顶坡底相对高差大概有100m，边坡两端各有一部分延伸出去的斜坡。由于靠近坡底的位置有几个较大的水池与围栏，步行难以靠近，人工测量岩体结构面非常困难，所以采用无人机倾斜摄影的技术来获取边坡表面地质信息数据。
　　（2）航线规划：在地面控制站软件中进行航线规划，航向重叠率为70%，旁向重叠率为50%，飞行相对高度为110m，航线总长度为1554m，飞行时间为10min，覆盖整个岩质边坡。如图1所示。
　　
　　（3）飛行作业：本试验用大疆无人机进行飞行作业，在地面控制点上设定无人机飞行航线，利用无人机的自动飞行模式进行倾斜摄影，从而获取边坡表面的数字航摄影片。
　　（4）数据处理：整理本次航线所采集的航摄相片，使用无人机配套的数据处理软件Pix4D mapper来提取每张相片的影像数据，转换成地理信息产品，如图2（a）所示。
　　
　　2.2 三维激光扫描仪获取点云数据
　　根据扫描目的与精度要求，结合边坡周边环境，考虑到Topcon三维激光扫描仪获取数据的特点，采用远景扫描，架三个站点，每个站点的位置根据现场情况布设，力求扫描范围较大，遮挡物较少。每站扫描完成后，检查点云数据是否完整，确保最后得到精确可靠的点云数据，每两站点扫描到的点云重复部分应大于扫描范围的百分之三十，以便后期能准确地进行点云数据拼接。采用该三维激光扫描仪配套的后处理软件Scan Master对扫描到的点云数据进行拼接以得到完整的边坡表面地质信息。该处边坡扫描到的点云数据如图2（b）所示。
　　
　　2.3 两种点云数据获取方式对比
　　地面三维激光扫描仪以其灵活快速、非接触测量的方式，可以解决山陡危险地形的扫描，并且可以快速得到高精度的测量成果，然而使用三维激光扫描仪获取边坡地质信息，在特殊复杂的地形条件下，无法找到合适的观测地点以架设仪器。并且在实际工程应用中，山坡顶部、阶梯等容易成为扫描盲区，测区情形往往比较恶劣，多植被、深谷，三维激光对植被过滤效果有限，导致获取的点云数据空洞较多。
　　无人机航测以其操作简便、机动灵活的优势在地形复杂的山区中应用较多，相对三维激光扫描仪，无人机几乎不存在测量盲区，且体积较小、携带方便，只是在精度上较三维激光扫描仪低。所以在大部分情况下我们优先选用无人机来获取地质信息数据。
　　3 结语
　　本文以杨家山隧道某边坡为研究对象，采用无人机与三维激光扫描仪获取该边坡表面三维地质信息，研究非接触测量技术相比传统测量技术的优势。结果表明：
　　（1）和传统数据采集方式相比，非接触测量技术拥有非接触性、数字化程度高、采集信息量大等特点。用三维激光扫描仪与无人机倾斜摄影技术来采集地质信息数据是值得提倡的。
　　（2）无人机与三维激光扫描仪以其灵活快速、非接触测量的特点均可快速获得大量地质信息数据。三维激光扫描仪在实际工程应用中，遇到坡体复杂的情况，会出现架站困难、扫描盲区过多的问题，导致获取的点云数据空洞较多。而无人机相对于三维激光扫描仪，具有体积较小、携带方便的特点，且在获取图像信息的过程中几乎不存在盲区，所以在实际应用中采用无人机倾斜摄影技术较好。
　　参考文献：
　　[1]杨帆，董景利，薛伟，等.三维激光扫描技术及其相关软件在建模方面的应用[J].地矿测绘，2012，28（03）：21-23+29.
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