手持激光雷达洞穴三维建模案例

一、项目背景

喀斯特洞穴通道曲折、无GNSS信号、洞内昏暗潮湿，传统全站仪、架站雷达作业繁琐、效率低（图1），难以完整采集洞腔与钟乳石精细形态。本次采用手持激光雷达开展洞穴三维建模，依托无定点、边走边扫的优势（图2），快速获取洞穴高密度点云与三维模型，构建洞穴数字化档案，支撑地质调查、遗迹保护与安全研判工作。

图1 架站式激光雷达扫描               图2 手持激光雷达扫描

二、洞穴概况

研究洞穴为典型岩溶洞穴，内部发育厅堂、曲折通道与钟乳石、石笋等岩溶景观，局部存在低矮断面、岩壁光滑、少量积水，作业环境复杂（图3）。

图3 岩溶洞穴

三、外业采集

作业前规划闭环行走路线，在洞穴转角、厅堂、长通道均匀布设反光标靶，保证数据约束、抑制SLAM漂移。单人手持设备匀速遍历全洞区域，重点对钟乳石、狭窄通道慢速补扫，全程无需架站、无需GPS，高效完成全域数据采集（图4）。

单人即可进行野外作业，1人对600米的洞穴进行扫描需要约30分钟，形成的原始数据大概有30GB。

图4 手持激光雷达外业采集

四、内业处理

对原始点云进行解算，去除人员身影、水务、水面反射噪点，构建三角网格模型，生成完整洞穴三维实体模型。

30GB的原始数据在1台运行内存为128GB的电脑进行内业洞穴三维模型重建，要36小时完成三维重建。

图5 内业洞穴三维重建               图6 洞穴三维模型全景

图7 内业处理全景点云成果（左）和三维模型成果（右）

图8 景观点云（左）和三维模型（右）

图9 内部景观三维模型列举

五、精度验证

通过标靶残差校核、现场实测距离比对验证模型精度。局部钟乳石、短通道相对精度高，成果形态贴合现场实际，满足洞穴测绘、数字化存档精度要求。

如图10，进行了现场实测距离与模型测量的对比，实地测量警示牌的长、宽为60cm和24cm，在模型上测量长度和宽度也是60cm和24cm。

图10 三维模型上测量警示牌的长度（左）、宽度（右）

六、成果与应用

本次作业获取了洞穴完整点云数据、三维模型，可直观展示洞腔空间结构、岩溶景观细节（图11）；可精准提取洞高、洞宽、断面形态、洞腔体积等量化参数。成果可用于洞穴地质演化分析、珍贵岩溶遗迹数字化留存、洞穴安全隐患排查、研学展示与数字孪生建模。

如钟乳石的单体提取（图12），单体高度测量（图13，钟乳石高度16.13m）和直径测量（图14，钟乳石直径0.65m）。

又如岩溶石刻数字化留存，石刻刻碑单体提取（图15）。

图11 岩溶景观展示                   图12 钟乳石单体提取

图13 钟乳石高度测量           图14 钟乳石直径测量

图15 石刻数字化留存

七、结论

激光雷达适配洞穴复杂昏暗环境，作业灵活、效率远高于传统设备，能够快速、完整完成洞穴精细化三维建模，是岩溶洞穴快速数字化的高效手段，具备良好的推广应用价值。

1.单人即可开展外业作业

设备轻量化手持作业模式，不需要多人搬移架设仪器，大幅降低人力投入，缩短洞穴外业扫描工期。

2.可保留岩溶景观精细细节

高密度点云能够完整记录钟乳石、石笋、岩壁纹理、古代石刻等细微特征，实现遗迹高精度数字化存档。

3.可输出多维度量化测绘成果

基于三维模型可直接提取洞腔尺寸、景观单体长宽高、洞腔体积、断面形态等实测参数，支撑定量分析。

4.成果复用性强，拓展应用场景丰富

生成的点云与三维模型可用于地质研究、安全评估、数字孪生、研学展示等多类工作，一套数据可多业务复用。

图16 洞穴三维建模视频