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世界遗产洞穴的高分辨率地形

斯洛伐克赭石文石岩溶现象的TLS和SfM调查

通过卡罗尔Bartoš,卡塔里纳普坎斯卡,帕维尔贝拉 • 2021年8月26日

TLS和SfM摄影测量已用于斯洛伐克OchtináAragonite洞穴的大地测量和3D制图。这片举世闻名的喀斯特景观具有重要的地质、地貌和矿物学价值，代表着由平行构造控制的大厅和通道组成的组合迷宫。新的详细地图、剖面图和3D模型为更详细地研究这个不寻常洞穴的形态和成因，包括其环境保护和旅游用途，创造了一个创新平台。

OchtináAragonite洞穴位于斯洛伐克南部Revúcka vrchovina山脉Hrádok山（809m）的西北斜坡上（图1）。它是在1954年勘探平洞的一次挖掘中意外发现的。自1995年以来，它一直是联合国教科文组织世界遗产地阿格泰勒克喀斯特洞穴和斯洛伐克喀斯特洞穴的一部分。它不仅以其丰富稀有的文石纹饰而闻名，而且以其独特的形态而著称。然而，该洞穴的复杂形态，尤其是中尺度和小尺度形态，在现有的洞穴学地图上没有充分显示出来。

具有这种不规则和崎岖地形的基岩表面的经典测量和绘图更耗时，而且精度也更低。因此，地面激光扫描（TLS）和运动结构（SfM）数字摄影测量被用于洞穴的新的大地测量和3D制图。

图1：斯洛伐克Ochtiná文石洞穴的位置。（图片提供：GKÚBratislava，谷歌地球）

高分辨率测量

地面激光扫描和SfM数字摄影测量可被视为一种适用于空间坐标非接触测量、复杂地下结构的三维建模和可视化的技术。与普通大地测量方法相比，测量速度快、精度高、生产率高、野外工作显著缩短、数据自动处理成数字模型，使得该技术在快速洞穴制图中几乎不可替代。另一个重要的优点是使用自己的光源激光束，确保在照明不良或无照明的地下空间进行无障碍测量。

在TLS调查期间，使用徕卡扫描站C10扫描仪（图2）以高分辨率和细节扫描洞穴、池塘、旅游路径以及文石装饰。总的来说，使用54个测量站测量了超过1.21亿个点。扫描表面的水平和垂直分辨率为20×20mm。

此外，还实施了数字近景摄影测量的SfM方法（处理摄影测量图像的最先进方法之一），以实现选定形态结构的高分辨率映射。由于传统的摄影测量方法要求摄影图像上存在一组与其已知空间位置相同的点，因此基于特征匹配特征的自动识别，SfM方法中的相机位置和场景几何同时重建。

所有的图像都是由一台带有Pentax SMC DA 15mm镜头的DSLR Pentax K-5数码相机拍摄的。通过沿游客路径的聚光灯确保图像表面的适当照明，因此不需要额外的灯光。但是，由于使用聚光灯，必须仔细选择各个摄像站，以避免遮挡光源并在表面上产生阴影。总共捕获了62幅图像，其中包含2300万个点的最终点云在Agisoft PhotoScan软件中生成。

后果

根据新的TLS洞穴调查结果，其总表面积为1335m^2.．洞穴体积为4424米^3.洞体周长为7064 m^2.. 洞体的大部分不规则且不均匀的周向表面与众多中、小规模的潜水和膈上地貌有关。

就总体形态和平面格局而言，洞穴由构造控制的平行通道和大厅组成，这些通道和大厅由较小的潜水和表层形态的横向通道相互连接。有许多屋顶圆顶和更小的球形空洞，一个平坦的天花板，向内倾斜的光滑面和海绵状的空洞。整个洞穴就像一个连通性很高的迷宫。

洞穴的三维模型

计算机图形学和信息技术的进步正在日益为数字数据处理创造新的更好的条件。在这种情况下，采用不规则三角网络(TIN)方法。它不总是可能使用所有扫描点与原始点密度为最终的表面建模。因此，将点密度降低到定义的点间距100mm，生成均匀组成的精简点云。这用于创建洞穴的最终TIN模型(图3)。

在适当的坐标系和垂直基准中进行测量的空间定位，可以将最终3D模型与周围的数字地形模型（DTM）连接起来，并准确确定其位置和垂直跨度（图4和图5）。此外，这样的数字模型可用于推导与相应DTM（或其他附近地下结构）的空间关系，以进行进一步的地质勘探（地球物理测量、土木工程等）。3D模型表明，赭石文石洞穴由沿陡峭断层形成的引人注目的线性通道和由通道和大厅组成的较长不规则海绵迷宫组成。