激光扫描技术在建立数字露头模型中的应用综述_王一鸣.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-10-04基金项目:中石油重大科技项目(No.2021DJ0402)、中石油科技项目(No.KT2021-06-14)作者简介:王一鸣(1997-),女,硕士研究生,主要研究方向:数字露头建模。E-mail:wangyiming9836 通讯作者:邵燕林(1979-),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向:储层三维表征、数字露头。E-mail:500171 激光扫描技术在建立数字露头模型中的应用综述王一鸣1,邵燕林1,曾齐红21长江大学地球科学学院,武汉 430100;2中国石油勘探开发研究院,北京 100000摘 要:激光扫描技术可获得扫描对象表面的三维坐标、反射率等多种信息的点云数据并建立三维模型,模拟现实事物的形态。将其应用到建立数字露头模型中,提高了模型精度和建模效率。从介绍激光扫描技术原理出发,对建立数字露头模型主流的两种数据采集仪器 地面固定式激光扫描仪和无人机进行对比,得出地面固定式激光扫描仪在稳定性、精度、操作等方面较无人机占优的结论。并展示了基于点云数据建立数字露头模型的过程,列举了激光扫描技术在建立数字露头模型中的实际应用。在点云数据处理过程中,目前研究发现存在点云匹配精度不够、自动匹配效果差、丢失部分数据特征、自动删除点云较多等问题,解决这些问题是未来的发展方向。关键词:激光扫描技术;数字露头模型;点云数据;激光扫描仪中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.019Application of laser scanning technology in establishing digital outcropWANG Yiming1,SHAO Yanlin1,ZENG Qihong21School of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China2Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100000,ChinaAbstract:Laser scanning technology can obtain 3D coordinates,reflectivity and other information of the scanned object surface,and the formed point cloud data can establish 3D models to simulate the real shape of various things in reality.The application of this method to the establishment of digital outcrop model has improved the accuracy and modeling efficiency of the model,which makes it an indispensable means to obtain field original data in the research of digital outcrop.Based on the introduction of the principle of laser scanning technology,the laser scanning technology is classified according to the scanning space position or the system operation platform.By comparing the two main data acquisition instruments for establishing digital outcrop models,ground fixed laser scanner and UAV,it is concluded that ground fixed laser scanner is superior to UAV in stability,accuracy,operation,etc.It also shows the process of building digital outcrop model based on point cloud data,and enumerates the practical application of laser scanning technology in building digital outcrop model.In the process of point cloud data processing,the current research finds that there are problems such as insufficient point cloud matching accuracy,poor automatic matching effect,loss of some data features,and more automatic deletion of point clouds.Solving these problems is the development direction of future digital outcrop model building methods.Key words:optical scanning technology;digital outcrop model;point cloud data;laser scanner1 引言野外地质露头由地下岩体、地层和矿床等显露出地表后形成,能够为地质研究提供丰富的地质特征信息1。传统地质露头研究以野外测量、拍照、手绘为http /主,高危地区的露头无法采集,建立的二维模型精度低、受地形影响大2。建立准确、有效的数字露头模型并用来指导地质勘探和开发是地质工作者们一直追求的目标3。20 世纪 90 年代,激光扫描技术出现。其利用激光测距的原理,通过机体内部发射的脉冲来扫描目标,并记录扫描对象表面游离密集点的三维坐标、纹理、反射率等信息,进而记录扫描对象的三维空间坐标4。在精确度和工作效率方面,该技术较传统地质露头研究方法占优,并且可以采集到高危地区的地质露头5,为建立数字露头模型提供了获取野外原始测量数据的准确高效的手段,为后续地质勘探奠定了研究基础。在 21 世纪初,就有国外学者把激光扫描技术和建立数字露头模型结合到了一起。Klaas 等6和 Bel-lian 等7都对激光扫描技术建立数字露头模型的应用前景进行了论述。国内学者在此方面的研究晚于国外,在 2012 年第十二届全国古地理学及沉积学学术会议中,尹太举等8对以点云数据为基础建立数字露头模型的应用和发展趋势进行了详细的阐述,认为这样既能直接、准确表达露头特征,又脱离了露头原本恶劣的自然环境,并且可以更形象地在不同视角、不同剖面表现露头的特征,加深对露头的认识。介绍了激光扫描技术的原理和分类,对进行数字露头野外数据采集的两种主流仪器 激光扫描仪和无人机进行了对比,介绍了以点云数据建立数字露头模型的过程和学者们对建立数字露头模型方法的改进,最后列举了激光扫描技术在建立数字露头模型中的实际应用,探讨了当前在建立数字露头模型过程中对点云数据的处理存在的问题和激光扫描技术应用在建立数字露头模型中的未来发展趋势。2 激光扫描技术2.1 激光扫描技术原理激光扫描技术是测量指定目标中某一点精确的三维坐标数据,获得单个或一些离散的点坐标数据9-10。其主要依靠的设备是激光扫描仪,它通过扫描对象的整体或局部来进行完整的三维坐标数据测量。所以,在扫描时,激光扫描单元必须从左到右和从上到下进行,由此获得完整全面、连续关联的点云数据11。李清泉等人早在 2000 年就总结了激光扫描测量系统的工作原理12,并绘制了示意图(图 1)。其中,外方位元素中的角度参量、Y0、Z0为定值,是扫描器中心到参考水平面的距离,X0、S、为变量。图 1 激光扫描测量系统坐标示意图122.2 激光扫描技术系统分类按照扫描的空间位置或系统运行平台,激光扫描技术可分为机载型、地面型和手持型激光扫描系统。机载型激光扫描系统可快速获取大范围的三维地形数据,而地面激光扫描技术则应用于扫描局部三维数据进行模型重建。地面型激光扫描系统可分为两类,一类为移动式,另一类为固定式13。在进行数字露头建模的是地面型激光扫描系统中的固定式系统。手持型激光扫描仪体型较小,便于携带,能够对物体的长度、面积和体积进行精确、可靠的测量,是古建筑重建、洞穴或液面测量的得力助手14。图 2 激光扫描技术系统分类3激光扫描技术在建立数字露头模型中的应用3.1 数据采集目前建立数字露头模型的数据采集方式主要有激光扫描技术和倾斜摄影测量技术两种15。激光扫描技术中主要运用激光扫描仪和无人机对目标对象进行扫描。在实际野外地质勘探中,多使用地面固定式激光扫描仪对露头进行精细的扫描,而无人机一般用于大范围的、对露头整体形状的扫描。地面固定式激光扫描仪使用时需要定点扫描,扫描完一站之后再挪到下一个站点,两站的扫描数据需要有重合部分,以便之后对点云进行拼接16-17,工作用时较长;而无人机获得扫描数据的速度快,效率高,工作用时较少。地面固定式激光扫描仪每站只能固定在一个站点进行扫描,而无人机飞行一次却能快速从多站点进行测量,获得更加准确的信息。一般来说,在进行激光扫描的同时,会运用相机对露头的纹理进行人工拍摄记02王一鸣,等:激光扫描技术在建立数字露头模型中的应用综述http /录,拍摄时两张照片之间至少要有 15%的重合部分,由于拍摄顺序、特征不明显等问题,后期在进行映射纹理时较为麻烦。而无人机可直接安装相机进行图像拍摄,不会出现照片顺序混乱等问题,在进行纹理图像映射时较为方便18-19。但无人机需要在空中飞行,对于山体底部等一些不利于飞行的地方无法进行准确的测量,这时就需要激光扫描仪进行固定式扫描来获取露头的信息。并且,激光扫描仪自身附带 GPS定位,可获得每个站点的地理坐标,每站扫描距离也可自主控制,对于局部数据测量的结果更加准确,所获得的点云数据精度更高,固定在原地也不会有晃动或者速度太快而导致数据产生较大误差等问题的出现,由此建立的数字露头模型也可观察到更细微的地质特征。表 1 地面站式激光扫描仪和无人机对比对比项地面站式激光扫描仪无人机工作用时较长较短扫描位置地面空中移动方式定点移动连续飞行扫描距离较近较远扫描站点每次一个每次多个扫描范围较小较大数据精度更高较高图像拼接较难较易3.2 建模过程基于激光扫描技术可获得野外地质露头的表面特征,对其进行处理之后建立三维模型,将野外露头的图像和模型进行映射,最终获得数字露头模型,其主要分为野外数据采集、点云数据处理、建立模型、纹理贴图四个步骤20-21。图 3 数字露头建模步骤使用地面固定式激光扫描仪,需要根据地质露头的规模来对站点位置和点密度进行设置。采用分站扫描的方式,测量距离一般在 20 m1 050 m 之间,扫描密度为 3 mm10 mm。两站之间的间距不能过大,扫描部分须有30%50%重合,以便进行点云拼接,且事先需要在露头上安装高反光片为控制点,如图 4 所示,并保证相邻两站至少有 3 个不在同一直线上的公共控制点22。对于站点的扫描角度也要进行控制,一般选择正对目标 45左右的视角。在实际扫描中,获得的数据分为全景扫描数据和局部扫描数据两种,如图 5、图 6 所示。局部扫描的数据量大,扫描精度更高,扫描范围小;全景扫描的数据量小,扫描精度较低,扫描范围大。在进行点云拼接