三維激光掃描系統在地形測量中的應用分析

張忠軒

摘 要：三維激光掃描技術也被人稱為實景復制技術，它作為立體掃描技術，可以全自動來獲得數據，并且精度也比較的高，因此十分的先進，但是在地形測量中應用三維激光掃描系統還存在著一些問題，比如存在死角或者數據破損等等，這樣就會影響到下一步工作的進行，因此就需要引起人們足夠的重視。本文對三維激光掃描的基本理論做了簡單的介紹，然后具體分析了三維激光掃描系統在地形測量中的應用分析，希望可以提供一些有價值的參考意見。

關鍵詞：三維激光掃描系統；地形測量；應用分析

三維激光掃描技術革新了測繪技術，它在很大程度上促進了測繪數據獲取方法、處理方法以及服務能力和水平的發展。點云數據指的是采用三維激光掃描得來的一些數據。點云數據主要是結合了大量的掃描離散點。三維激光掃描具有較好的實時性、主動性和適應性，因此就可以在簡單的處理之后，直接使用三維激光掃描數據，這樣就可以省去很多的時間和精力；采用三維激光掃描不需要接觸到被測物體，可以直接應用在很多的復雜環境中；如果想要發揮出更多和更強的效能，就可以有機的結合GPS等先進的技術。三維激光掃描技術正在突飛猛進的發展，在此基礎上，必將會應用到更多更廣泛的領域之內。本文為了能夠將三維激光掃描系統在地形測量中的應用更加便捷的顯現出來，采用了點云數據處理軟件，并且討論了可能出現在測量中一些問題。

1 三維激光掃描系統

在通常情況下，可以將三維激光掃描儀分為這幾種：機載激光掃描系統、便攜式激光掃描系統以及地面型激光掃描系統等等，這種劃分的依據是掃面平臺的不同。本次選用的是地面型三維激光掃描系統來進行地形測量，地面型三維激光掃描系統包括著很多個方面的部分，比如三維激光掃描儀、數碼相機、軟件控制平臺、電源、掃描儀旋轉平臺等等。

地面型三維激光掃描系統的工作原理如下：三維激光掃描系統發射器可以將一個激光脈沖信號發射出去，然后物體的表面會對這個激光脈沖信號進行一個漫反射作用，然后這些脈沖信號會沿著同樣的路徑返回到接收器中，那么就可以對目標點和掃描儀之間的距離進行準確的計算。同時，每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值由精密時鐘控制編碼器來進行測量；三維激光掃描測量采用的坐標系往往是儀器自定義的，橫向掃描面內有X和Y軸，兩者是互相垂直的關系，z軸垂直于橫向掃描面，如下圖所以，依據這個圖例，就可以將目標點的坐標求出來。

那么對激光脈沖從發出到接收之間的時間延遲進行檢查，就可以得出公式1中的距離。得出了發射脈沖往返的時間間隔，就可以有效的計算出目標點和掃描儀之間的距離：S=1/2CtL。C指的是光速。

2 電云數據處理

從上文我們已將了解到，點云數據指的就是三維激光掃描系統所采集來的數據，在對點云數據進行處理時，一般分為這幾個方面的內容：去除噪聲、多視對齊、精簡數據以及重構畫面等。

去除噪聲指的是將點云數據中可能存在的錯誤的數據進行消除；比如，在對地形進行掃描的時候，掃描儀會采集到一些不需要的數據，比如飛速前進的車輛、行人以及高大的樹木等等；這些沒有用處的數據是需要被刪除的。

點云的精簡數據指的是因為點云往往十分的龐大，這樣就需要對數據進行必要的精簡工作，需要特別注意的時候，精簡的時候不能夠影響到畫面的重構，并且還不能影響到基本的精度要求；一般可以采取兩種方法來進行精簡數據，一種是平均精簡，指的是將原來的點云設置為n個小組，然后每一個小組中留下一個；另一種方法是按距離精簡，指的是對一些點進行刪除，刪除的目的是為了讓點云中點與點之間的距離不小于某值。

曲面重構的目的是為了將掃描目標的本來面目給真實的還原出來，要想實現這個目的，在還原掃描目標的本來面目時，可以有效的采用掃描數據。通常可以將曲面分為幾個種類，三角形網格、細分畫面、明確的函數表示、參數曲面、暗含的函數表示、曲化的面片等等。

采用了掃描出來的數據來重構曲面之后，就可以進行三維建模的規則，從而將掃描目標的本來面目給還原出來。基本完成了點云數據處理步驟之后，在解決問題的時候就可以充分的利用點云數據來進行。

3 相關問題討論

提高精度的一種方法：在通常情況下，多視對齊的精度在很大程度上決定著三維掃描的精度；在掃描的時候可以采用不同的位置來進行，并且站在多個視角上進行考慮，并且要按照大于等于百分之十的標準來設置相連區域的重疊度；如果采用的是POLY WORKS軟件，那么要按照10毫米的標準來設置直接對齊的精度。要想實現精度提高的目的，在本項目中采用了設置控制點法，然后將掃描議可以識別的帶有三維坐標數據控制點設置在重疊區域就可以實現，通過實踐研究證明，如果將控制點信息加入到使用POLY WORKS軟件來進行對齊時，那么就可以有效的提高精度，從而保證對齊精度能夠滿足相關的要求和標準。

坐標系一致：因為三維激光掃描采用的坐標系都是獨立坐標系，并且是圍繞著掃描儀建立起來的，那么就需要在一個統一的坐標系中融合這些獨立的坐標系；只需要將公共控制點設置在相應的位置，那么點云的一致性就可以通過POLY WORKS軟件來實現。設置控制點主要包括兩個方面的內容，一是控制點的密度，二是位置的布設；這兩個方面都十分的重要，因為后期數據處理的精度將會受到布設位置合理性與布設點的密度等方面的直接影響。

三維激光掃描的成果輸出：如果在處理點云數據方面，采用的是POLY WORKS軟件，那么就會有很多的成果輸出來，比如一些三維坐標數據、掃描對象的三維模型等。POLY WORKS軟件在某些方面還存在著局限性，會影響到很多方面的應用，但是這個軟件的接口功能十分的豐富，用戶可以依據自己的要求來編碼滿足自己需要和愛好的特殊應用，這也是軟件發展的一個趨勢。

4 結語

本文簡單分析了三維激光掃描系統在地形測量中的應用，通過實踐研究證明，在地形測量中應用三維激光掃描系統是十分可行的，但是還存在著一些問題。本次選用的是比較平緩的區域作為試驗的場地，但是還是會出現一些掃描的死角，從而出現數據的不完整等情況，這樣就會對下一步的工作產生不利的影響。所以，未來研究的重點就是對這些缺損的數據進行必要的修復。

參考文獻

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