地面Lidar测量及其在岩体结构面提取中的应用关键步骤

前面论述了岩体激光扫描及数据处理的主要流程，与一般地面Lidar扫描工作相比，岩体激光扫描采集及处理由于对象的特殊性，还有一些处理方法和注意事项略有不同，本书总结主要有以下几个关键步骤。

5.2.2.1　原始点云获取

原始岩体点云获取阶段，有许多需要注意的地方，具体总结如下。

（1）准备工作。不同于其他对象的扫描，地质领域岩体的地面扫描工作多为施工现场和野外边坡等，环境相对复杂，条件较为恶劣，需要考虑的因素较多。扫描前要对场地进行踏勘，具体应了解现场地形、施工影响、岩体的规模、植被覆盖情况等。

（2）架站原则。针对每次扫描岩体的不同特点对扫描站点进行设计，针对岩体扫描的特殊性，架站原则总结如下：

①在一些只需一站即可采集全部岩体点云的地方，架站应尽量覆盖整个区域并覆盖整个岩体表面，采用分辨率较高的精度对岩体进行精确扫描。而大多数的岩体信息采集工作对象较大，基本做不到一次扫描覆盖整个目标，需要进行多站扫描。此时应合理布置扫描站点位置，在保证安全和数据覆盖完整的同时尽可能减少架站的次数，因为根据误差传播理论，无论采取何种配准方法，较少的架站次数都可以减少拼接带来的累积误差，提高整个岩体区域的配准精度。

②为了配合一些需要绝对坐标的岩体扫描场合，需要设置一些标识物（人工标靶），将测区内的大地坐标引入到整个岩体点云中去。此时可以在一个扫描站内设置三个可视的标识物，进行先测量坐标后导入点云的工作。当采用本书提到的整体点云配准方法时，也可利用扫描仪的架站点作为引入大地坐标的基点，即准确测量架站点的大地坐标，待多站扫描配准工作完成以后，导入架站位置的坐标即可得到整个岩体点云中每个点的坐标值。此外，在标识物的选择上应遵循易识别、空间分布均匀的原则。以三个标识物为例，应尽量保证其等边均匀的分布。

③扫描仪离岩体的距离和角度也应设置合理，激光采集到的点云质量与扫描的距离和岩体表面的反射情况有关，需根据每个具体的岩体实例进行合理设置。根据第4章论述的误差影响分析，一般的原则是在保证作业安全的前提下尽可能近距离的进行扫描，同时尽可能和岩体成一个水平线，扫描入射角最大不要超过60°。以本书采用的Riegl Z420i扫描仪为例，其工作距离是2～1000m，垂直方向的扫描角度是上下各40°，在实际应用时，如想得到较为理想的数据质量，应将架站距离和扫描角度折中到一个合理的范围，尽量遵循架站距离为50～400m，单站扫描角度保持水平，少使用仰视或俯视的视角进行扫描等原则。

（3）扫描区域。由于本书方法研究的数据对象是保留的原始点云拓扑关系的*.PTX数据，初步扫描得到的岩体点云数据如进行点云去噪和滤波处理则会破坏这种拓扑关系。故要求在扫描时尽量选择包含岩体对象的区域进行精扫描，尽量不包含其他无关的物体和建筑物数据。

（4）其他注意事项。对于现阶段的地面Lidar扫描仪而言，基本都外置或内置了高分辨率数码相机，有的边坡岩体高低不平，造成有的扫描区域有阴影有的扫描区域有阳光，在一些需要采集岩体照片的场合，需合理安排扫描时间，保证整个扫描过程中光线的一致性，同时注意不要将扫描仪和相机正对着阳光。在扫描时还需注重排除外界的干扰和影响。岩体数据采集的现场一般较为嘈杂，应选择合适的时间和场合开展工作，排除人员走动、车辆震动、粉尘影响等因素对扫描质量和精度造成的干扰。(www.xing528.com)

5.2.2.2　岩体点云预处理

岩体点云数据获取与一般的数据获取步骤相似，都是先进行粗扫，再进行精扫，最后进行拍照。经过此步骤获取的岩体点云数据由于岩体表面粗糙程度的不同往往含有噪点和无效数据，这些岩体外的数据不仅会影响岩体表面的真实性，还会减慢岩体结构面提取的计算速度，造成特征部分的错误判断。常规的处理方法是采用人工去噪或点云过滤的手段予以消除或减少。但是本书中为了保留原始数据的领域拓扑关系，是不需要对它们进行点云数据预处理的，而会在后续平面拟合过程中统筹考虑无效数据和结构面内数据进行一致性的计算和提取。

5.2.2.3　岩体点云配准

经过以上处理的单站岩体点云数据达到了岩体结构面分割计算的数据要求，如此次扫描站多于一站，则需要进行多站点云的配准工作。此步骤如本书第3章所述。

5.2.2.4　结构面的提取

岩体结构面的提取是本书中不同于其他点云处理流程的重点论述内容，根据前文论述，此步骤主要从高效组织和准确提取两方面作为出发点，结合法向量计算、区域增长分组、四叉树-八叉树混合索引、统计聚类分析和改进的RANSAC拟合等方法完成。此步骤如本书第4章所述。

5.2.2.5　成果输出

本原型系统提取出的结构面主要输出结果包括：结构面重心、结构面轮廓、结构面法向量、平面方程参数（a、b、c、d）。这些信息可以用来计算相应岩体结构面的倾向和倾角。岩体结构面的特征提取不是最终目标，其结构面及其产状参数需提供给地质专业人士进行更进一步的判读和解译，以及对岩体的稳定性进行分析和评价。