解决方案 | 基于手持移动平台应用激光雷达技术进行溶洞扫描

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一、前言
溶洞是大自然赋予人类的瑰宝，被专家称为“一次性不可再生资源”。在自然界中，溶有二氧化碳的地下水和溶有二氧化碳的雨水，对石灰岩层长期的侵蚀逐渐形成了溶洞。针对获取溶洞模型进行数字化保护，数字绿土公司提供基于手持移动平台应用激光雷达技术溶洞扫描的解决方案。 
二、溶洞扫描存在的问题
1、视觉条件差，基本无光线射入，观测难度高。2、环境复杂，溶洞中暗河多分支细流，其间钟乳林立，传统的测量方法困难，速度慢，精度低，测量人员安全性难以保障。3、信号差，溶洞中基本上无信号，难以进行定位。4、市面上现有的溶洞扫描方案，大多是使用架站式的三维激光扫描仪器或者使用背包激光雷达。架站式激光雷达如遇到复杂环境，需频繁搬站，而且后续数据拼接相对麻烦，背包激光雷达作业，重量相对较大，而且背在身上相对高度较高，溶洞环境复杂，易受到磕碰。 

三、溶洞测量软硬件方案
数字绿土LiGrip手持激光扫描仪的高精度、三防、轻巧灵便等特性能够为溶洞测量提供准确且稳定的数据，并结合高效、智能化的LiFuser-BP解算软件，有效提高了测算效率，降低了内业处理的时间成本，同时结合LiDAR360软件对数据进行后处理，得到成果。利用激光雷达和SLAM算法不仅可以实现地下空间、矿道的测量，还可以广泛应用于室内外场景进行一体化测量，如林业、平面图测绘、街道立面、堆体体积等领域。整体方案流程：确定作业区域→ 路径规划→ 数据采集→ 数据导出→ 点云解算→ 提取溶洞点→ 三维建模、断面分析、平面分析1、准备工作首先应当勘察溶洞，规划分区和路径等。

准备卷尺、胶带、麻绳、3M反射条或红布等醒目标志物进行放置 ，其目的是用来增加特征点，使其点云能够拼接的更好，提高模型质量。

2、路线规划

对于由室外进入溶洞的场景，面向洞口初始化后，直接进入溶洞内沿溶洞进行量测，尽量走闭环路线。遇到测区较大或者障碍物时候，可以采取分区、分次进行测量。

3、数据采集

（1）安装好设备，相机开机、设备上电，选择一个开阔的位置进行设备初始化，初始化时激光器尽量冲着洞口；

（2）初始化完成后，缓慢拿起设备，按照规划好的路线进行数据采集，采集过程中设备尽量保持稳定；

（3）数据采集完成后，握紧设备原地不动，等待激光器停止转动，激光器数据采集结束，手动按相机按键停止录制；

（4）使用数据传输线连接电池盒与电脑端，设置电脑IP，将采集的数据成果导出。

4、数据处理

将数据拷贝到电脑端，运用LiFuser-BP打开.bag文件，根据场景进行参数修改后进行数据处理。

4.1 去噪
将解算好的溶洞点云数据导入LiDAR360软件进行半自动去噪，在软件矿山模块去噪选项中设置好参数，就可以实现去噪效果。如果对数据要求较高，也可以开启剖面编辑，手动去除噪点。

「手动去噪」

「去噪前」

「去噪后」

4.2 成果数据

「三维点云模型」

「细节图」

4.3 建模
利用点云进行三维建模，LiDAR360支持泊松建模和三角网建模两种方式，生成.obj格式的三维模型文件。

「三维模型成果图」

「模型细节图」

4.4 平面分析
矢量编辑通过提供点、直线、多段线、矩形、多边形等基础的实体要素，完成主要关键地物矢量化，采用图层方式管理地物实体要素，经按高度过滤后，可有效的查看溶洞内部结构。

「溶洞内地物-楼梯」

「溶洞内地物-路」

 

四、总结
综上所述，使用LiGrip可以便捷高效的对溶洞进行数据采集，将采集数据导入LiFuser-BP进行解算，结合LiDAR360对数据进行去噪等处理后，可以获得高精度的点云模型。在LiDAR360中的矿山模块中，支持三角网建模或泊松建模两种方式进行三维重建生成.obj格式的三维模型。数字绿土拥有先进的手持激光雷达技术，结合SLAM算法，提供成熟软硬件一体化的溶洞的扫描方案用于溶洞景区的宣传及数字化保护。