地质露头激光扫描反射强度外部干扰因素研究_蒋梦月.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 3 月激光杂志LASE JOUNALVol.44，No.3March，2023http /www laserjournal cn收稿日期:20220929基金项目:湖北省教委科研基金(No 2018289)、湖北省高等学校实验室研究项目(No HBSY201828)、受中石油科技项目“重点地区数字露头勘查技术研究应用”(No KT20210614)资助作者简介:蒋梦月(1997)，女，硕士，主要研究方向:GIS、激光强度在岩性识别中的应用。Email:1192112396 qq com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:储层三维建模。Email:500171 yangtzeu edu cn地质露头激光扫描反射强度外部干扰因素研究蒋梦月1，邵燕林1，曾齐红2，魏薇1，邓帆1，胡忠贵11长江大学地球科学学院，武汉430000;2中国石油勘探开发研究院，北京100083摘要:地质露头激光反射强度不仅受控于扫描仪特性，露头物质组成和结构特征，还受大气环境、扫描几何条件等外部因素干扰，导致露头上“同物异值，异物同值”。针对地质露头激光扫描时反射强度的外部干扰因素开展研究，从扫描距离、入射角、水浸和环境温度四方面设计实验方案，运用对比分析方法。得出:距离对反射强度存在显著影响，且不同型号扫描仪近距离效应和受影响程度不同;入射角的影响随岩石表面粗糙程度的不同而表现出较大差异;水能吸收近红外激光，致使水浸后的强度值降低;强度值对环境温度变化不敏感。基于研究认识，针对地质露头野外扫描作业的特征，提出了地质露头野外采集技术规范，以降低扫描时的外部干扰，提高数据采集质量。关键词:地面三维激光扫描;激光反射强度;地质露头;干扰因素中图分类号:TN249文献标识码:Adoi:10.14016/j cnki jgzz.2023.03.081esearch on external interference factors of laserscanning reflection intensity in geological outcropJIANG Mengyue1，SHAO Yanlin1，ZENG Qihong2，WEI Wei1，DENG Fan1，HU Zhonggui11School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430000，China;2Petro China esearch Institute of Petroleum Exploration Development，Beijing 100083，ChinaAbstract:The laser reflection intensity of the geological outcrop is not only controlled by scanner characteristics，outcrop mineral composition and structural feature，but also interfered by the atmospheric environment，scanning geo-metric conditions and other external factors，resulting in same object with different intensity value，foreign object withthe same intensity value in the outcrop This paper studies the external interference factors of the reflection intensityin the laser scanning process of geological outcrops，designs experimental schemes from four aspects:scanning dis-tance，incident angle，water immersion，and ambient temperature，and uses comparative analysis methods to studyThe study shows that the distance has a significant effect on the reflection intensity，the proximity effect and degree ofimpact of different scanner models are different;the incident angle influence varies greatly with the rock surface rough-ness;water can absorb the nearinfrared laser，which reduces intensity value after immersion;and the intensity valueis not sensitive to the ambient temperature change Based on the research understanding，according to the characteris-tics of geological outcrop field scanning operation，the technical specifications for geological outcrop field collection areproposed，so as to reduce external interference during scanning and improve the quality of data collectionKey words:terrestrial laser scanning;laser reflection intensity;geological outcrops;interference factors1引言地面三维激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanning，TLS)是一种广泛应用于目标体物理表面数据采集和建模的主动仪器，凭借着非接触性、获取速度快、扫描http /www laserjournal cn精度高、信息量丰富等特点1，现已集成到地质特征分析中23。它不仅能采集用于刻画地质露头表面几何形态的点云，还能获取有助于识别视觉特征的 GB数据，也能记录表征目标岩体光谱反射特性的激光强度。激光强度通常被定义为一个回波的回波振幅或功率4，能监测目标体物化特性的变化，当前已应用于水文58、冰川学910、生态农业和林业1112、建筑和基础设施1314。在地质领域，可用于地物物理和化学参数的推导以及地质信息分类1517。由于不同种类岩石具有不同的光谱反射特性，给出的激光强度响应不同，因此，可以基于激光强度反演露头岩体的结构特征与成分组成等地质信息。然而，现今尚没有学者专门针对露头采集过程中的外部干扰因素展开实验研究与分析。野外地质露头激光反射强度不仅与仪器设备本身有关，也受控于露头岩石物质组成和结构特征，同时在野外露头扫描过程，受限于场地的地理条件，使得扫描仪架设存在距离、角度差异;扫描过程环境温度也可能发生明显变化;露头还可能局部受到地表水浸润，导致同一岩性区块呈现干湿不同的差异。为消除外因干扰，使强度值能真实地反映露头地物特征，需要首先研究不同外部干扰因素对激光强度的影响规律。因此，针对不同岩性样品，运用对比分析方法研究扫描距离、入射角、温度和水浸四方面因素对反射激光强度的影响，并基于研究认识和地质露头野外扫描作业的特征，提出地质露头野外采集技术规范;为后期研究强度校正公式提供事实依据和理论支撑。2实验设备与材料2.1实验仪器实验采用 IEGL VZ400 地面三维激光扫描仪，该扫描仪采用脉冲式近红外波段的激光束，测量精度达到 2 mm，其激光强度可以用振幅(amplitude)和反射率(reflectance)表示，文中如无特殊说明，均用振幅表示强度值。同时制作了摆放岩石样品的扫描台，扫描台外观尺寸为 1 m1 m、有四层样品架，每层样品架能承载总重量为 12.5 kg 的 5 块岩样，因此，一个扫描台一次能摆放 20 块岩石样品、总载重量为 50 kg。具体示意图见图 1 所示。2.2实验材料实验材料分为实验室岩石样品和长江三峡地层标本长廊岩石标本。实验室岩石样品有碳酸盐岩和碎屑岩两类，每类下又对岩性进行了细分，图 2(a)展示了部分实验室岩石样品。长江三峡地层标本长廊有 240 对从太古界至第三系的岩石标本，每对岩石标本上部分为 20 cm40 cm 的磨光面，下部分为 20 cm20 cm 的自然断面，两部分岩石表面粗糙程度存在较大差异，图 2(b)为其三维模型及局部放大图。图 1实验装置图(a)实验室部分岩石样品(b)长江三峡地层标本长廊三维模型图 2实验材料3实验方案与方法将实验分为四个部分，根据实验目的选择实验材料，并布设实验场景，具体如下:(1)扫描距离的影响实验。以实验室岩石样品为材料，将 IEGL VZ400 扫描仪始终架设在正对扫描台中心垂向方向，按3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m、17 m、19 m、21 m 移动，图 3 为其示意图。为比较不同型号扫描仪激光强度随距离的变化规律，随后又基于 Z+F IMAGE5010C 扫描仪进行扫描实验。图 3距离扫描实验图28蒋梦月，等:地质露头激光扫描反射强度外部干扰因素研究http /www laserjournal cn(2)入射角度的影响实验。入射角度指扫描仪与目标物体所在平面中心点垂向间的夹角，先以实验室岩石样品为实验材料，使扫描仪始终保持在 7 m 处，绕旋转轴按 0、10、20、30、40、50、60、70移动仪器。同时为了对比粗糙程度不同的岩石表面，两者强度值随入射角变化，又选取长江三峡地层标本长廊中的部分岩石标本为实验材料，由于仪器架设存在场地限制，因此，选取左侧的四对碳酸盐岩和右侧五对碎屑岩为扫描对象，扫描距离始终保持在距扫描台中心位置7 m 处，再以0、20、40、60移动仪器(图4)，对比磨光面和粗糙面随角度的变化规律。图 4入射角扫描实验图(3)温度的影响实验。选择在晴天，下午 2 点，温度为 30 和夜晚 8 点，温度为 20 时，将扫描仪架设在距离扫描台中心 7 m 0处，分别对实验室岩石样品进行测量，对比在两种温度条件下的激光强度变化规律。(4)水浸的影响实验。将仪器架设在 7 m 0处，分别在实验室岩石样品干燥时和经水浸泡 30 分钟后进行测量，对比在干燥和水浸条件下激光强度变化规律。扫描完成后，以实验数据为依托，运用对比分析方法对四方面的影响，进行实验结果的分析与野外露头扫描作业规范的归纳。4实验结果与分析图 5(A)为实验室岩石样品在 7 m 0处的三维激光点云，图中岩石样品三维点云颜色存在明显差异，表明不同岩性岩石具有不同的反射率。将这些岩石激光强度均值绘制出如图 5(b)所示强度随岩性变化规律图。结合两幅图，可以直观形象地观察出不同岩性的岩石其激光反射强度不同。(a)岩石样品三维激光点云(b)强度值随岩性变化规律图 5不同岩性反射强度差异分布图4.1扫描距离对强度数据的影响图 6 为不同岩性碎屑岩和碳酸盐岩的激光强度随距离变化图。分析可知，这些岩石样品在距离小于9 m 时，随着距离的增加，其激光强度值均逐渐变大;在 9 m 时，出现峰值;9 m 后，激光强度值随距离的增加而变小。激光雷达方程式18 表明强度值与距离的平方成反比关系，理论上激光强度应随距离的增大而一直变小，但图 6 呈现先变大后变小的趋势，这是由于