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世界遗产洞穴的高分辨率地形

斯洛伐克Ochtiná霰石岩溶现象的TLS和SfM调查

经过KarolBartoš，凯蒂Pukanska，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Ochtiná霰石洞穴的大地测量和三维测绘。这是世界著名的喀斯特地貌景观，具有重要的地质、地貌和矿物学价值，代表了一个由平行的构造控制大厅和通道组成的迷宫。新的详细地图、剖面图和3D模型创建了一个创新平台，可以更详细地研究这个不同寻常的洞穴的形态和成因，包括它的环境保护和旅游用途。

Ochtiná霰石洞穴位于斯洛伐克南部Revúcka vrchovina山脉的Hrádok山(809m)的西北斜坡(图1)。它是在1954年的一次勘探坑道挖掘中偶然发现的。自1995年以来，它一直是阿格特莱克喀斯特洞穴和斯洛伐克喀斯特联合国教科文组织世界遗产的一部分。它的名扬遐迩，不仅因为其文石装饰丰富而罕见，更因为其独特的形态。然而，该洞穴的复杂形态，特别是中尺度和小规模的形态，在现有的洞穴地图上并没有足够的可视化。

对于这种不规则和崎岖地貌的基岩表面，经典的测量和测绘要费时得多，而且大多不那么精确。为此，采用地面激光扫描(TLS)和运动结构(SfM)数字摄影测量技术对洞穴进行了新的大地测量和三维测绘。

图1:斯洛伐克Ochtiná霰石洞穴的位置。(图片提供:GKÚ Bratislava，谷歌Earth)

高分辨率的调查

地面激光扫描和SfM数字摄影测量可以被认为是一种适用于复杂地下结构空间坐标非接触测量、三维建模和可视化的技术。与常用的大地测量方法相比，该技术的测量速度快、精度高、生产力高、大大缩短了野外工作时间，并将数据自动处理成数字模型，这使得该技术在快速洞穴测绘中几乎不可替代。另一个重要的优点是使用自源激光束，确保在照明不好或没有照明的地下空间进行无障碍测量。

在TLS调查期间，使用了一个徕卡ScanStation C10扫描仪(图2)，以高分辨率和细节扫描孔洞、池塘、游客路径以及文石装饰。54个测点共测量了超过1.21亿点。扫描表面水平和垂直分辨率为20 × 20mm。

此外，采用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)来实现选定的形态结构的高分辨率制图。由于传统摄影测量方法要求摄影图像上存在一组已知空间位置的相同点，因此SfM方法在特征匹配特征自动识别的基础上，同时重构了摄像机位置和场景几何。

所有图像都是由带有Pentax SMC DA 15mm镜头的DSLR Pentax K-5数码相机拍摄的。沿着游客路径的聚光灯确保了图像表面的适当照明，所以不需要额外的灯。然而，由于聚光灯的存在，单个的摄像站必须谨慎选择，以避免遮挡光源并在表面上产生阴影。总共拍摄了62张图片，最终在Agisoft PhotoScan软件中生成了包含2300万个点的点云。

结果

根据新的TLS调查结果，洞穴的总表面积为1335米²．洞穴体积为4,424米^3.洞穴体的圆周表面为7,064米²．岩洞体的周向表面很大程度上不规则、不平整，与大量中、小规模的潜水和表层形态有关。

就粗体形态和地面平面图而言，洞穴由平行的构造控制通道和霍尔组成，这些通道和大厅通过较小的疏水和骨骺形态的横向导管互连。有许多天花板圆顶杯和较小的球形腔，平坦的天花板，内侧倾斜的光滑刻面和海绵状空洞。整个洞穴代表具有高连接程度的迷宫。

洞穴的三维模型

计算机图形和IT进步越来越多地为数字数据处理创造了新的和更好的条件。在这种情况下，应用了三角形不规则网络（TIN）方法。并不总是可以使用与最终表面建模的原始点密度的所有扫描点。因此，点的密度减小到点之间的限定距离，以产生均匀地组成和减小点云。这用于创建洞穴的最终锡模型（图3）。

将测量的空间定位为适当的坐标系和垂直基准面，可以将最终的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5)。这样的数字模型可以用来推导与相应的DTM(或另一个附近的地下结构)的空间关系，以进行进一步的地质勘探(地球物理调查、土木工程等)。3D模型表明Ochtiná霰石洞穴由一条沿着陡峭断层形成的引人注意的线性通道和一条较长的不规则海绵状通道和走廊迷宫组成。