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
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1、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
2、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
3、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
4、 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
5、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
6、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 s
7、canner 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,th
8、e 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 metho
9、ds.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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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%5
17、0%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。在进行点云拼接时,先用全景扫描的数据进行粗略的控制点选取,然后再用局部扫描的数据进行精确的控制点选取,使两站点云数据的重合部分能够紧密地拼接在一起23。图 4 野外扫描站点布置示意图图 5 站点 1 局部扫描数据图
18、 6 站点 1 全景扫描数据图 7 两站点云数据拼接效果图拼接好后将每一站的点云进行重采样、去除不需要的体外点和降噪,将剩余点进行封装。再将多个封装文件按照站点的顺序,一个连接一个进行合并,再进行网格医生处理24,删除其表面由于树枝或杂草形成的凸起,并进行填补25,最终制作成表面平滑且不损坏露头的表面特征的白膜。图 8 白膜效果图12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 /将白膜导入到贴图软件中,对照图片和模型的特征寻找控制点,将图片按照纹理的正确位置映射到模型上,制作出能反映露头真实样貌的数字露头模型。图 9 数字露头模型3.3 建模方法为了以激光扫描技术获取的点云
19、数据建立的数字露头模型更加精确,国内外学者对建模方法不断进行改进。曾齐红等根据地面激光雷达、高精度差分 GPS 和高精度数码影像资料,制定数字露头野外数据采集方案,介绍了点云数据拼接和坐标转换处理流程,提出了最佳趋势面三角网建模方法和分块三角网无缝拼接方法,建立了鄂尔多斯盆地延长组谭家河表层的数字露头模型26。最佳趋势面三角网建模方法是通过建立八叉树来分割海量点云,将点云向各个方向进行投影,选择投影面积最大方向的平面作为最佳趋势面,如图 10(a),然后将全部点云数据投影到此最佳趋势面上,在该平面上建立不规则三角网(TIN,TriangulatedIrregu-lar Network),如图
20、10(b),最后再把该平面三角网通过高程值还原到三维空间中26。(a)最佳趋势面 (b)三角网图 10 最佳趋势面示意图和三角网示意图26分块三角网无缝拼接方法逆向拆分邻近模型的三角面,经 KDTREE 空间分解检测 2 个模型的重叠区域,利用自适应算法寻找模型的分割边界,将重复区域重新建立不规则三角网,实现模型的无缝拼接,拼接效果如图 11(b)所示26。Paul Wilson 等基于激光雷达对苏伊士裂谷中半地堑地质露头进行了扫描,在点云数据的基础上基于TIN 也提出了一种新的处理露头数据集表面的建模方法。利用每个节点处表面方向的平均值计算三角网中每个三角形的正确方向,并将三角形重新定向到围
21、绕其质心的位置,并进行多次迭代,直到所有节点的平均 Z 值都低于阈值 0.001 m。并用此种方法建立数字露头模型,探索出了苏伊士裂谷中半地堑规模正断层阵列的演化规律27。Reginaldo 等将多视点图像和地面激光扫描相结合,对地质露头模型进行了更贴近现实的三维重建28。(a)模型拼接前 (b)模型拼接后图 11 分块三角网模型无缝拼接示意图263.4 实际应用以激光扫描技术为基础建立的数字露头技术作为地质勘探中新兴的研究手段,不仅能展现野外露头的表面 地 质 特 征29-30,而 且 能 对 其 进 行 定 量 描述31-33,还能为地下地质情况的探索提供强有力的支持34-35。可以说,在
22、科学技术日益发展的今天,它成为地质勘探中的重要力量。朱如凯等利用三维激光扫描技术获得了点云数据,建立了鄂尔多斯盆地延长组曲流河三角洲平原河道数字露头模型,模型中的地质特征明显,且能对其进行地质情况的分析36。Qiao 等结合利用激光雷达、RTK-GPS、探地雷达等对露头壁进行数字化,从激光扫描得到的点云数据中提取了基于实测剖面和样本的岩相、孔隙度、渗透率、声速,并通过建模软件建立四川盆地西北部乌东梁露头三叠系飞仙关组鲕粒储层数字露头模型37,为类似地质条件下地下储层的地震资料解释和储层预测提供了更可靠的依据。激光扫描技术不仅应用到了地层的演化和发育情况的研究中,也应用到了特定岩性地区的地质勘探
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- 激光 扫描 技术 建立 数字 露头 模型 中的 应用 综述 王一鸣
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