摘要：我国地大物博，幅员辽阔，地质结构非常复杂。溶洞旅游是旅游行业的一个重要组成部分，其具有稀缺性与不可复制性的特点。溶洞旅游开发过程中需要注意开发与保护的统一，传统测绘手段只能为设计单位提供2D数字绘图，而不能详细反映溶洞内部细节情况，因此设计单位在设计时可能出现在某些空间上把握不准确，造成空间浪费甚至溶洞内部资源损坏的情况。
关键词：大型溶洞旅游开发；三维建模测绘技术
引言
随着我国整体经济的快速发展，我国快速进入科学技术现代化发展阶段。三维激光扫描技术在地面上可依据测站点的GPS信息获取更高精度的数据，然而当进行地下作业时，则无法接收到GPS信号，因而增加了工作难度。在地下溶洞开发中，准确获取高精度的三维模型是至关重要的，可为后期设备安装、灯光设计、洞内规划起到重要的辅助作用。
1三维建模资料处理
（1）纹理的处理，纹理是利用专业相机在建筑物侧面获取的，所获得的纹理普遍存在着一定程度的变形、色彩饱和度低等问题。想要得到一张规则的侧方纹理图，就需要从形状、色彩饱和度、亮度对比度等多方面进行调整。经过处理的纹理图形比例均匀、色度、色相饱满、建筑纹理更加明亮，能够使三维仿真场景更加规范、更加逼真。（2）数字线划地图的处理，数字线划地图存在着图形数据冗余、缺失，线状要素碎化，要素描述错误，拓扑关系错误等大量问题，为保证后期三维建模工作的顺利进行，需要对数字线划地图进行点、线、面要素的简化处理。经过处理后的数字线划地图存在的空间关系不准确的问题得到了根本性的解决，点、线、面要素空间关系清晰明了，为三维模型的建立打下了良好的基础。
2地下溶洞控制测量
（一）溶洞情况简介，扫描溶洞位于某地南岩溶地貌区，全长大约2.5km，洞内通风良好，空气潮湿，部分地区积水较深，均无任何光线，有较多支洞，部分地方有很大空间，局部地区较为狭窄，距离地面仅有2m左右，因而加大了扫描难度。其钟乳石资源丰富、发育良好，而且保存完整、形状奇异，因此需要增设测站进行扫描设计。（二）控制测量，为了达到将扫描数据统一到当地坐标系下，以及提高绝对精度的目的，需要在溶洞内建立平面及高程控制网。通过查阅GB-2007《工程测量规范》，根据洞内实际情况，确定平面采用三级导线网进行施测，高程采用五等三角高程进行施测，测量过程中将严格按照三级导线及五等三角高程观测规范执行。（三）点云数据采集及预处理，（1）扫描设备，因洞内湿度较大，采用防护等级为IP65的Isite8200进行扫描，该仪器具有定向功能，采用控制点定向方式，保证多站扫描数据处于同一坐标系下。对石笋、钟乳石等部位采用加密扫描方式，该扫描仪扫描范围可达到500m左右，垂直扫描范围为125°，可通过临近扫描数据弥补该部分盲区，（2）扫描方法，通过以上溶洞内控制网完成布设与施测且测量精度都满足要求后，将开展外业数据采集。采用两种方式进行扫描，分别为：①将扫描仪安置在控制点上利用后视控制点进行定向扫描；②对于遮挡严重的部分，将采取自由设站方式进行扫描，但要保障能与临近测站重叠40%左右，并在草图上标注好扫描仪与临近站之间的相对位置关系，便于后期数据拼接。（四）点云数据预处理，溶洞中空气潮湿，但局部支洞区域较为干燥，溶洞中的工作人员走动时会导致灰尘扬起，因此需要将该部分数据进行去噪处理，得到无噪点数据，以便于后期模型重建。首先采用K-D树算法搜索Pi的最临近点，当最临近点Pi之间的点小于阈值Di，判断Di和Dmean之间的关系并确定是否过滤。（五）点云拼接及配准，对当天扫描数据进行简单处理，对于有问题的部位则需要第二天进行补充扫描。在点云拼接与配准时采用较为成熟的ICP算法进行拼接配准，具体实现步骤为：①首先从两测站数据集中选取特征地物作为参考，提取关键点；②对所有关键点分别计算其特征值；③结合特征值在两个数据集中的坐标位置，以两者之间的特征与位置相似度为基础估算其对应关系，并初步估计对应点对；④假设数据有噪声，去除对配准有影响的错误点对；⑤利用剩余的正确对应关系估算变化值，并进行配准。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（六）点云抽稀，总共扫描200余站点，扫描点云数据 4.5亿点，由于软硬件系统资源有限，部分区域点云重叠冗余，在不影响设计的情况下可进行适当的点云抽稀。通常采用的方法是按照等间距进行抽稀，对于建筑物建模只需提取建筑物特征点即可，对于复杂3D表面的溶洞建模只能采用等间距抽稀方法。（七）建模方法及效果，利用I-SiteStudio6.0软件中的复杂3D表面构建模块进行初始模型构建，采用Geomagic软件进行模型空洞填充、修复及平滑，两款软件交互使用，最终得到钟乳石建模效果与局部溶洞建模效果。将最终模型利用AutodeskReCap软件转换成Autodesk3D MAX、Auto.CAD等三维软件中的数据类型，以便于后期使用。
3渲染烘焙
为了让建立的场景拥有真实感、确切感，常常将设置好的灯光效果、调整后的纹理采用贴图的方式融入到场景中。在动用调整后的纹理时，注意检查模型的当前状态，确认烘托的物体是否符合标准，避免出现纹理覆盖、多余面、破面或过多重复面等问题。然后对烘托渲染方式进行设置，最后从不同方面方向对建立的三维模型进行快速渲染。
4展望
综上所述，三维建模测绘技术在大型溶洞的分析中的应用效果显著，无论是大型溶洞进洞前分析，还是型溶洞进洞后跟踪，三维建模测绘技术的分析方法从质量和效率上都有明显的优势。三维建模测绘技术是勘察、三维扫描、遥感、三维建模测绘技术的有机结合，其在规划、设计、施工等领域已有非常多的应用成果。从技术层面让大型溶洞旅游开发分析工作实现质的飞跃。
结语
利用三维激光扫描技术进行地下溶洞扫描并建立复杂3D精细模型，可对溶洞旅游开发规划设计起到重要的辅助作用，具有较高的实用价值。本文在充分查阅相关文献的基础上采用多种方法进行实验，在某溶洞三维建模测绘应用中，通过对整体点云及模型的精度评价，可以在建立好的三维模型上进行水位分析、设备安装、灯光布置、空间规划、特殊娱乐项目设计等，从而尽可能模拟溶洞开发后的场景，为开发决策提供有效参考。
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论文作者:张晶
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/18
标签：溶洞论文; 建模论文; 纹理论文; 模型论文; 数据论文; 技术论文; 激光论文; 《基层建设》2019年第8期论文;