在石膏洞穴中利用地面激光扫描和3D摄影进行地貌和造岩观测外文翻译资料

地貌学319（2018）47-61

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地貌学

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在石膏洞穴中利用地面激光扫描和3D摄影进行地貌和造岩观测

(意大利北部艾米利亚罗马涅区)

Jo De Waele a，b，*，Stefano Fabbria，Tommaso Santaga b，c，Veronica Chiarinia，Andrea Columbu a，Luca Pisania

a Bologna University, Department of Biological, Geological and Environmental Sciences (BIGEA), Via Zamboni 67, 40126 Bologna, Italy

b La Venta Esplorazioni Geografiche, Via Priamo Tron 35/F, 31100 Treviso, Italy

c VIGEA - Virtual Geographic Agency, 42123 Reggio Emilia, Italy

文章信息

摘要

文章历史：

2018年4月23日收到

2018年7月10日收到修订版表格

2018年7月15日接受

可于2018年7月17日在线获取

关键词：

蒸发岩

喀斯特地貌

矿物共生关系

形态测量学

地面激光扫描（TLS）和3D摄影测量技术用于在意大利北部埃艾米利亚罗马涅区（Emilia Romagna）的墨西尼安石膏中开发的一个相对较小（100米长）的洞穴。进行这些观测是为了比较两种方法在绘制中小型地貌图时获得的结果。通过这些测量，可以重建雕刻洞穴顶部的共生（反重力）形态（顶部河床和下垂体）的演化阶段，以及它们与当地地貌、填充沉积物、洞穴和结构元素的关系。现场测量与数字模型的形态测量分析相结合，从而可以进行更多的观测。研究结果清楚地表明，TLS和3D摄影测量数据的结合可用于研究和测量地貌研究（包括洞穴）中毫米到分米尺度形态，有助于揭示这些环境的洞穴成因和水文演化。

copy;2018爱思唯尔公司版权所有。

1.介绍

洞穴是可供人类探索的地下三维空洞（Palmer，2007）。洞穴地图使他们能够直观地了解其地理环境，并进行一些地貌和地质观察。洞穴河床的形态通常来源于岩性和构造环境的组合，也与地下水流的方式有关（Palmer，1991）。洞穴测量通常使用指南针、倾斜仪和卷尺完成，或者近年来使用激光测距仪和电子设备完成（Budajand Mudrak，2008；Heeb，2009；Mattes，2015）。洞穴通常由平面图、纵向延伸剖面和横向横截面表示，但这些表示无法提供洞穴的完整三维模型。此外，地下中、微形态以及碎屑或化学沉积物的细节也可以用符号表示（Hauselmann，2011）。这些细节通常显示洞穴底部的特征，很少显示岩壁或顶部等这对于实际洞穴探索来说并不重要。

⁎ Corresponding author at: Bologna University, Department of Biological, Geological

and Environmental Sciences (BIGEA), Via Zamboni 67, 40126 Bologna, Italy.

邮箱: jo.dewaele@unibo.it (J. De Waele), stefano.fabbri21@unibo.it

(S. Fabbri), tommaso.santagata@laventa.it (T. Santagata), vero.ch88@hotmail.it

(V. Chiarini), andrea.columbu2@unibo.it (A. Columbu), lucapiso94@gmail.com (L. Pisani).

然而，这些形态和沉积物可以提供额外非常有用的数据，从而得出地下环境成因和演化的结论。

大约15年前，人们首次使用激光扫描设备创建自然洞穴的高分辨率3D地图（例如Robson-Brown等人，2001年；Westerman等人，2003年；Oludar Idrees和Pradhan，2016年）。在早期，扫描设备一般都很重、复杂，而且非常昂贵，因此在具有挑战性的洞穴环境中使用它们很麻烦。第一个激光扫描模型在易于接近的洞穴中进行的探测，通常是为了考古（例如，Grussenmeyer等人，2010年；Lerma等人，2010年；Garcla Puchol等人，2013年）。直到后来，当这些设备变得更轻、更便宜、更容易携带到洞穴中时，地面激光扫描（TLS）才越来越多地用于这些令人望而却步的环境中（Canevese等人，2009年、2011年；Berenguer Sempere等人，2014年；Hoblea等人，2014年；Gallay等人，2015年、2016年；McFarlane等人，2015年；Silvestre等人，2015年；Santagata等人，2015年、2017年；Fabbri等人，2017年）。激光扫描仪可以在非常短的时间内以前所未有的精度测量多个点（例如，高达1 mm的分辨率，取决于扫描仪设置和到测量点的距离），也可以到达遥远的洞穴区域（如高屋顶），尽管分辨率较低（距离为70 m时为1 cm，Van Rentergem等人，2017）。除了其空间意义（X、Y和Z坐标），测量值还包含可用于区分不同颜色、温度和成分的对象的反射率值。

https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2018.07.012

0169-555X/copy;2018爱思唯尔有限公司保留所有权利。

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在后处理阶段对三维点云进行分析，构建数字高程模型(dem)和粗糙度地图，计算体积和表面，具有地质和地貌意义。

洞穴的激光扫描模型可以与摄影测量测量相结合，为地图区域增添色彩和真实感。最近特别是在照明技术和数码相机方面的进步，也使得摄影测量在黑暗洞穴中得以应用。商业软件可以创建非常详细的3D模型，精心制作数字彩色图像的马赛克。该技术在TLS方法中适用于较小的区域，可以为TLS 3D模型增加细节解释（Lerma等人，2010年；Nunez等人，2013年；Citton等人，2017年）。三维摄影测量也可用于现代激光扫描仪设备也无法实际运输的交通不便的地区。

在这项研究中，我们报告了在博洛尼亚（意大利亚平宁山脉北部）以东60 km处Gesso蒸发岩区墨西尼安石膏中雕刻的一个小洞穴中进行的TLS和3D摄影测量测量的结果。TLS衍生的3D模型已在四个限制区域与摄影测量相结合，这些区域需要更多细节，或者激光扫描仪设备无法运输（例如，在一个狭窄的河床后面更大的空间中）。通过对这些3D模型的形态测量，可以详细研究洞穴顶部的共生（反重力，Pasini，2009）形态特征，以及石膏结晶和外来沉积物。这些观察结果揭示了洞穴河床及其顶部河床和下垂体的洞穴成因演化，它们与岩石中的主要结构（即层面、节理、断层和矿脉）的关系，以及在更广泛的区域背景下该洞穴和整个岩溶系统的演化。该研究的目的是证明TLS和3D摄影测量数据的结合对于研究任何类型地貌环境（包括洞穴）中的中小型地貌非常有用。

2.研究区域

CaCastellina是一个小洞穴，在一条大峡谷（海拔280米）的底部打开，距离Gesso-Romanogola山脊的最高峰Mauro山西北约500米（图1）。这是一条不活跃的水平洞穴分支（约270 m a.s.l.），位于实际基准面以上100 m以上，与向东的辛特里亚河相对应，以135 m a.s.l.左右的速度流动，而里约巴西诺河则向西复活，其中一条地下河在160 m a.s.l.的高度重新汇入。

该海脊由梅西阶（6.5-5.5 Ma）组成，主要为大结晶亚硒酸石膏层，由泥灰岩夹层隔开，大致呈西北-东南走向，并向东北方向倾斜（Montanari et al.，2007）。该区域是意大利最重要的石膏岩溶区之一，长度约为20 km，宽度约为1-2 km（De Waele等人，2017年）。

洞穴的入口被有机碎屑和沉积物完全堵住，几年前挖掘后才有可能进入下面的河床。这个垂直的入口装有加固的笼子，以避免洞穴再次被填满。通过下降河床可以进入一个12-16米宽的房间，房间内有水平的泥泞地面（图2、3A）。这条宽的单隧道，高度在4到6米之间，沿西北方向延伸80米，但由于崩塌沉积物而向东南方向受阻。在不同的地点，沉积物几乎堆积到屋顶，现在只能通过10-15米长的爬行河床进入。

该洞穴位于一个构造情况相当复杂的区域，其特征是较老且目前不活跃的南北向至NNE-SSW向伸展断层，以及一系列西北-东南向的转换挤压断层，使蒸发岩序列加倍（Marabini和Vai，1985；Montanari et al.，2007）。洞穴沿着单一向上变细的地层包发育，由亚硒酸盐（下部）和碎屑状（上部）石膏组成，代表一个单一的蒸发循环（Vai和Ricci-Lucchi，1977）。

图1 洞穴位于Vena del Gesso地区，靠近毛罗山。阴影区域为墨西尼安石膏露头，虚线圆圈表示漏斗。

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图2 Carsquo;Castellina洞穴勘测（地图和剖面图，由S.Zauli（GSA Ravenna）、M.Ercolani、P.Lucci和G.Sansavino（GAM Mezzano）、FSRER（Emilia Romagna洞穴学联合会）提供）。灰色区域显示细粒沉积物，而上面的箭头表示横截面。虚线椭圆区域显示了使用TLS的洞穴部分（图4中的扫描截面）。矩形A、B、C和D是应用三维摄影测量的区域。

图3:CaCastellina洞穴。A） 朝入口看（左）：注意上面的顶部河床和右边的方解石流石；B） 在靠近入口的大房间部分，泥灰岩夹层清晰可见；C） 进行激光扫描，特别是记录洞穴顶部及其下垂体和顶部河床；D） 顶部下垂体，上面有光滑的石膏表面，突出的下部有二次石膏晶体生长。

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该包裹体与相邻旋回之间由一层约1m厚的尤辛泥灰岩层隔开。向东北方向倾斜60°的上部和下部泥灰岩层在靠近入口的洞穴部分清晰可见（图3B），形成整个西墙。洞穴在大部分发育过程中遵循石膏层的走向（约N140°E），然后沿着1m宽的顶部河床突然转向东北方向，显然是由一组充满次生大型石膏簇的雁列矿脉引导。

这个洞穴最显著的特点是非常柔和的接近水平的拱形，屋顶由一系列漂亮的顶部河床雕刻而成，分隔了大量的下垂体（图3C）。一些悬体的下部被次生厘米长的石膏晶体覆盖，石膏晶体由上方溶解和下方蒸发结晶的组合形成（Gazquez et al.，2015；Sanna et al.，2015）（图3D）。

3.方法

3.1. 数据采集

本研究使用了FARO激光扫描仪CAM2 Focus3D。该扫描仪非常适合在洞穴中进行测量，因为它重量轻（约5 kg）且易于管理，而且测量的速度、可靠性和绝对精度也很好（McFarlane et al.，2015；Gallay et al.，20152016；Fabbri et al.，2017）。它配备了一个碳三脚架，在理论范围为100米的近红外场（905 nm）中发射，通常会因环境条件（温度、天气、太阳辐射、空气湿度等）而降低。

扫描仪的分辨率（每次旋转获取的点）设置为每次扫描2840万个点，质量（根据FARO，2017，与距离测量中的噪声相关）为“3x”。这在一项调查中进行了转换，其中“点距离”（在10 m的扫描距离内捕获的扫描点之间的距离，单位为mm）以244 kpt/s的速度每7.614 mm检测一个点（FARO technologies Inc.，2011）。通过一系列附加传感器，如倾斜仪、电子气压计、电子罗盘和双轴补偿器，确保相关测量的准确性和精度。

扫描在洞穴最容易接近的部分进行，直到扫描仪无法操作的低河床（图3）。洞穴较窄的部分采用传统洞穴测绘技术进行测量，而洞穴的最后一个房间（我们决定不带扫描仪的地方）则采用3D摄影测量进行记录（图2中的D区域）。在其他三个较小的区域也进行了类似的摄影测量记录，包括TLS观测（图2中的区域A、B和C）。

为了在TLS区域进行测量，尤其是为了获得雕刻顶部的精确3D数字再现，我们进行了44次扫描，扫描位置之间的距离在2到5 m之间（图4）。每次扫描持续时间小于3分钟，使用靶标（直径139.6 mm的磁性参考球，由

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