三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用研究

于磊+劉精攀

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們不再滿足于傳統(tǒng)的工程施工技術(shù)，這就對許多施工企業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。文章重要概述了三維激光掃描的概念，并以LeicaHDS3000三維激光掃描儀技術(shù)為案例，研究了在近代工程檢測中使用三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)特點。并探討了實際的點云拼接、掃描作業(yè)與數(shù)值處理的整個過程及對三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的使用研究。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；LeiceHDS3000；工程測量；Cyclone

在90年代中期開發(fā)出了三維激光掃描技術(shù)，它依據(jù)激光掃描測量的方式，三維激光技術(shù)掃描能大面積的提升分辨率，并準確得出被測量對象的三維坐標數(shù)值，詳細的對空間點位信息進行采集，并獲取被測物體表面上各個采樣點的空間獨立坐標。工程監(jiān)測，是指在管理階段與建設(shè)時所開展的各項測量工作。它能直接為所有項目的規(guī)劃、測量、施工、檢測、完工和運行管理等一系列項目所服務(wù)的。如何才能在工程監(jiān)測中更好的植入三維激光掃描技術(shù)，并合理科學的使用它的準確性能這一技術(shù)特點，是一個展新的研究項目。文章以Leica HDS3000為例，由于三維激光掃描技術(shù)具備代表性，所以被大型建筑工程監(jiān)測中廣泛的使用。

1、技術(shù)背景

1.1、三維激光掃描技術(shù)概念

三維激光掃描技術(shù)是從繁瑣實體結(jié)構(gòu)和實踐中得出該目標的三維數(shù)值和模型，它能根據(jù)激光掃描測量的方式，為目標的局部或整體進行詳細的檢測，使其獲得目標的面、線、體等三維數(shù)值，和檢測對象的采樣點相結(jié)合，被稱作“距離影響”和“點云”。根據(jù)測量儀器和掃描目標間存在距離長短來實行劃分，三維激光掃描技術(shù)能分為近距離、中距離、遠距離三類，三類距離本身的準確度都是不同的，所以適合的對象也都各不相同，中、遠、距離激光掃描可以用在大規(guī)模場景建設(shè)中，近距離激光掃描技術(shù)因為它自身的精準度相對較高，所以可以應(yīng)用在小型物體的三維準確建設(shè)中。

1.2、Leica HDS3000三維激光掃描技術(shù)的特征

Leica HDS3000三維激光掃描儀是Leica公司高清測量儀器的主打產(chǎn)品。在工作的時候，掃描儀可以沿著水平面上順時針方向依次轉(zhuǎn)動，儀器自動進行分析并記錄出激光的回導(dǎo)信號。通過計算后獲得的內(nèi)量數(shù)值，會通過緩沖分塊后經(jīng)過TCP/IP協(xié)議傳遞到數(shù)值記錄儀器中，并用數(shù)值庫的規(guī)定格式進行儲存。Leica HDS3000三維激光掃描儀可以達成水平與垂直第一視角范圍的掃描，并且同時能得到掃描點的顏色資料。有效距離為三百米，采樣密度最高為一毫米，掃描的速度可達到每秒四千點。

1.3、后期處理軟件CycIone

Cyclone是Leica HDS3000三維激光掃描器與之相匹配軟件，也是三維激光掃描技術(shù)的重要軟件設(shè)備之一。Cyclone能夠管理大量的數(shù)值資料，并及時掃描測量物體，設(shè)定照相機的曝光清晰度，對數(shù)值采集錄入并進行處理，還能根據(jù)標靶和點云達成點云連接、數(shù)值分量處理與管理性能，可按照點云自動形成曲面、平面、彎管、圓柱等多個幾何體，并自己構(gòu)網(wǎng)和形成等高線，根據(jù)點云的薄厚形成點云切片，可以傳遞出ptx、dxf、txt等各種不同數(shù)值的形式。Cyclone還具有正攝影像傳出作用，CAD用戶能在改正后的圖像上得出準確的二維線劃圖。

2、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集

因為激光自身帶有獨特的物理特點，和激光掃描儀的功率會受到限制，Leica HDS3000型三維激光掃描儀可以掃描三百米之內(nèi)的物體，最大誤差是六毫米，五十米處的最大誤差是兩豪米。并且，因為掃描儀使用的是鉛酸電池，所以它的工作時間也是有限制的，詳細的掃描步驟如下：先知道控制點數(shù)據(jù)，在對整體天幕鋼結(jié)構(gòu)進行粗掃描，然后對立柱的焊接部位進行細掃描，并且確保對每個焊接補位都有兩臺機器同時掃描，并覆蓋百分之五十的表面，為后期處理創(chuàng)造了最佳的條件。東、西兩部分一共要掃描八個站點，總共的工作時長為兩個工作日。除了布置現(xiàn)場和其他準備工作之外，真實的掃描時間為十個小時，掃描面積是一萬平方米，所以它的工作效率還是比較高的。

3、后期數(shù)據(jù)的處理

3.1、統(tǒng)一坐標系的創(chuàng)建和導(dǎo)入

掃描現(xiàn)場的兩端距離比較大，東西兩端的距離為五百米，要采用分段式的方法來逐步測量。但是現(xiàn)場仍在繼續(xù)施工，這就使操作的難度大大提升，并不能只依靠動靶標點來對坐標進行傳輸。所以，把大地坐標系當成工程測量中的唯一坐標系。具體的方式有：在在對美段進行測量的時候，都要固定的靶標點來作為把控點，然后在把把控點和各個站點點云連接，連接之后的點云坐標系則視為大地坐標系。

3.2、掃描準確度驗證

檢測人員在現(xiàn)場一共放置了十八個靶標點，使用全站儀檢測出的準確大地坐標值，并在東、西兩部各選用三個靶標點來作為把控點。在每站開始掃描的時候，每個部分會同時掃描和各自相對應(yīng)的把控點。在后期的處理時，將控制點的坐標按順序錄入到文檔里，導(dǎo)入Cydone并存為一個scanworld，然后在和點云相結(jié)合，所以結(jié)合后的點云都具有代表性。

4、三維激光掃描在工程檢測中的使用與研究

現(xiàn)如今，隨著三維激光掃描技術(shù)的迅猛發(fā)展，以往的繪制方法也漸漸被廣泛使用，主要的使用領(lǐng)域有對土方的體積進行測量。地面三維激光掃描技術(shù)進行測量時，不再僅僅只依靠于人工操作，還能更加準確的取得代表性地形的特點并用其它的方式表達出來，數(shù)據(jù)的準確性高并且提高了效率，而且大大提升了測量人員的工作效率，從一定基礎(chǔ)上節(jié)約了社會成本。土方測量與體積的測量是工程中必不可少的項目，三維激光掃描技術(shù)可以根據(jù)大量的點云數(shù)據(jù)收集技術(shù)在土方量計算方面能比以往方法更加的快速精確。所以，三維激光掃描技術(shù)在施工中有著廣泛的使用，并起到了它的使用價值。并且，能使工程測量更加的簡易化。

結(jié)束語：點云的主要獲得方式是三維激光掃描技術(shù)對激光的照射，使以往使用的在外面測量改到室內(nèi)測量，顯著的提升了了測量的工作效率。得到的數(shù)值代表性、準確性強，大大降低了現(xiàn)場測量的時間和次數(shù)。對三維激光掃描技術(shù)的使用已經(jīng)不僅僅能得出他的結(jié)果，還能繼續(xù)深更層次的挖掘和分析，特別是在點云數(shù)值模型化，以及數(shù)值在其他平臺的可用性方面進行研究。endprint