地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

周京兵

四川省蜀通巖土工程公司，四川成都 610000

所謂地面三維激光掃描主要是通過(guò)激光進(jìn)行測(cè)距掃描，掃描儀利用伺服馬達(dá)以及掃描鏡根據(jù)點(diǎn)云密度以及掃描范圍的界定來(lái)獲取指定測(cè)量目標(biāo)的紋理信息和三維坐標(biāo)，從而重現(xiàn)三維場(chǎng)景。這項(xiàng)技術(shù)是工程測(cè)繪的一次重要技術(shù)變革，有效地提高了工程測(cè)量的效率和精確程度，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。我國(guó)主要將這項(xiàng)技術(shù)用于三維建模、道路測(cè)量、地圖測(cè)繪以及土方計(jì)算等領(lǐng)域，并且在文物的測(cè)繪保護(hù)工作中也進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，取得了比較理想的效果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種新型測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用方式和工藝流程都將得到進(jìn)一步的發(fā)展和提高，其推廣應(yīng)用范圍將更加廣泛，對(duì)我國(guó)工程測(cè)量技術(shù)整體水平的提高具有十分重要的意義。

1 三維地面激光掃描技術(shù)概述

地面三維激光掃描的主要技術(shù)原理就是利用激光進(jìn)行掃描測(cè)距，而其工作過(guò)程也就是對(duì)數(shù)據(jù)信息反復(fù)進(jìn)行采集和分析處理，并根據(jù)接收的掃描反射激光強(qiáng)度的不同來(lái)匹配相應(yīng)的灰度。在激光掃描儀中，測(cè)量時(shí)的采樣點(diǎn)也就是局部的系統(tǒng)坐標(biāo)，而坐標(biāo)原點(diǎn)則在掃描儀內(nèi)部。

三維地面激光掃描的測(cè)量方式主要包括固定式和移動(dòng)式兩種，其中，激光掃描的固定式系統(tǒng)與目前常用的全站儀比較類似，其構(gòu)成部件有控制系統(tǒng)、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)以及后期處理的相關(guān)軟件系統(tǒng)等。與傳統(tǒng)全站儀的不同之處在于，激光固定式掃描儀并不僅僅對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)的采集，其針對(duì)的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描的范圍更廣，速度更快，而且具有更高的精度，能夠更好地適應(yīng)野外操作的需要。而三維激光移動(dòng)式掃描系統(tǒng)則是以車載平臺(tái)為依托，綜合運(yùn)用激光掃描技術(shù)和GPS、IMU技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)繪工作。目前，固定式三維地面激光掃描的應(yīng)用相對(duì)比較成熟，應(yīng)用范圍也比較廣泛，而移動(dòng)式技術(shù)還需要進(jìn)一步的探索研究，因此，本文將對(duì)固定式技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析，并探討移動(dòng)式技術(shù)在發(fā)展中的主要問(wèn)題。

2 三維地面激光固定式掃描技術(shù)在工程測(cè)量工作中的應(yīng)用流程

目前我國(guó)主要是在三維建模、道路測(cè)量、測(cè)繪地形圖以及計(jì)算土方量等工程測(cè)量中工作應(yīng)用三維激光掃描。該技術(shù)的應(yīng)用工藝流程主要有準(zhǔn)備工作、獲取和配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化、去噪和編輯和處理這幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。

2.1 應(yīng)用準(zhǔn)備階段的主要工作

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)前應(yīng)先詳細(xì)考察測(cè)區(qū)的環(huán)境條件，并確定標(biāo)靶以及掃描儀的布設(shè)位置。在選擇布設(shè)位置時(shí)應(yīng)保證所設(shè)置的掃描站能夠獲得測(cè)量區(qū)域的完整數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減少測(cè)站的布設(shè)數(shù)量，這樣可以通過(guò)更少的原始數(shù)據(jù)量來(lái)完成測(cè)繪工作。在掃描儀工作時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的特殊地形和地物進(jìn)行拍照存檔，為數(shù)據(jù)和地形圖的后期處理以及修改編輯提供參考依據(jù)。

2.2 獲取測(cè)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

所有測(cè)站都應(yīng)精確詳細(xì)的掃描3到4個(gè)標(biāo)靶，從而準(zhǔn)確確定標(biāo)靶控制的中心位置。然后通過(guò)無(wú)反射全站儀來(lái)對(duì)標(biāo)靶中心的三維坐標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)定，以便為后續(xù)的數(shù)據(jù)測(cè)量提供配準(zhǔn)依據(jù)。布置標(biāo)靶時(shí)應(yīng)注意要分布均勻，并與掃描儀保持適當(dāng)?shù)木嚯x。

2.3 配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，首先在各個(gè)掃描區(qū)布設(shè)控制標(biāo)靶，保證每?jī)蓚€(gè)相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都包括3個(gè)以上的同名標(biāo)靶作為控制點(diǎn)。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)可以采取絕對(duì)以及相對(duì)配準(zhǔn)這兩種不同的方式。所謂相對(duì)配準(zhǔn)也就是將某掃描站為坐標(biāo)系基準(zhǔn)，而對(duì)其他掃描站進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；而絕對(duì)配準(zhǔn)則是指通過(guò)常規(guī)測(cè)量與掃描儀測(cè)量的綜合運(yùn)用，精確測(cè)量所有掃描站標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，從而獲得標(biāo)靶在工程坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對(duì)坐標(biāo)，這樣在點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就可以直接將各測(cè)站統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)。

2.4 分析處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后就可以應(yīng)用在土方量計(jì)算、三維建模、道路測(cè)量以及測(cè)繪地形圖等測(cè)繪工程中。

3 三維地面激光固定式掃描技術(shù)在工程測(cè)量工作中的應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用于測(cè)繪地形圖

對(duì)斷壁懸崖等特殊地形進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)在應(yīng)用上難度較大，而通過(guò)三維激光掃描就可以在無(wú)接觸的情況完成對(duì)地貌地物的測(cè)繪任務(wù)。應(yīng)用三維激光技術(shù)測(cè)繪地形圖的工藝流程包括：首先處理所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)地貌地物等特征要素進(jìn)行提取，最后進(jìn)行編輯繪制就可以完成地形圖的繪制工作。

3.2 應(yīng)用于土方工程的計(jì)算工作

目前在土方工程中計(jì)算土方量時(shí)相互要依賴于全站儀、GPS-RTK以及水準(zhǔn)儀等儀器設(shè)備，通過(guò)對(duì)地表特征點(diǎn)的測(cè)繪獲取其三維坐標(biāo)參數(shù)并構(gòu)建TIN，然后對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算。這種方法需要采集大量野外散點(diǎn)，不僅作業(yè)難度比較大，而且準(zhǔn)確性也比較差。應(yīng)用三維激光掃描后，測(cè)繪工作的難度和工作量都將明顯降低，同時(shí)其計(jì)算的準(zhǔn)確性也更高。在土方量計(jì)算中應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成基準(zhǔn)面的構(gòu)建，并剔除地物，然后再利用生成DEM來(lái)對(duì)土方量進(jìn)行精確計(jì)算。

3.3 應(yīng)用于道路工程的測(cè)量工作

在道路工程的測(cè)量中，其主要任務(wù)是獲得工程項(xiàng)目的橫縱斷面以及工程樣圖。傳統(tǒng)的測(cè)繪工作需要依賴水準(zhǔn)器等設(shè)備對(duì)道路高程進(jìn)行逐點(diǎn)的測(cè)繪，其工作量和測(cè)繪難度都比較大，還會(huì)受到內(nèi)業(yè)處理效率的制約。而通過(guò)三維激光掃描對(duì)道路工程進(jìn)行橫縱斷面掃描獲得工程測(cè)繪樣圖，不僅工作量明顯減少，而且測(cè)繪效率也提高了4倍左右。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行道路工程測(cè)量的主要工藝流程包括：首先分析處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)一定的間隔從點(diǎn)云中提取出繪圖所需要三維坐標(biāo)參數(shù)。在等高線自動(dòng)生成后，就可以完成道路工程的橫縱斷面以及工程樣圖的繪制工作。

3.4 應(yīng)用于三維模型的構(gòu)建

由于三維激光掃描具有構(gòu)建高精度三維模型的功能，因此可以應(yīng)用在文物保護(hù)工作等方面。利用三維地面激光掃描可以在與文物表面無(wú)接觸的情況下獲得相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維高精模型，對(duì)文物細(xì)部特征進(jìn)行準(zhǔn)確的還原，可以通過(guò)模型來(lái)完成任意尺寸和任意點(diǎn)的測(cè)量工作，避免測(cè)量時(shí)損傷文物。

應(yīng)用該技術(shù)測(cè)量文物時(shí)的工藝流程主要包括建模以及映射紋理特征這兩部分。首先，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型。建模方式主要有兩種：其一，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)模型的構(gòu)建。建模時(shí)要按照三維模型對(duì)精度的要求來(lái)具體確定點(diǎn)云密度，同時(shí)要綜合考慮三角網(wǎng)獨(dú)立進(jìn)行展示運(yùn)行的需要，獲取足夠數(shù)量的紋理數(shù)據(jù)。其二，利用3dsmax以殿宇數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建三維模型，對(duì)規(guī)則形體進(jìn)行剖面掃描，從而根據(jù)精度要求制作規(guī)則的三維模型。而三維模型要獲得真實(shí)感則必須通過(guò)紋理映射。其主要是通過(guò)掃描儀上所配備的數(shù)碼相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)紋理信息的獲取，并在模型表面進(jìn)行紋理映射處理。同時(shí)還要通過(guò)匹配、縮放以及糾正等技術(shù)手段來(lái)提高紋理的美觀性和真實(shí)感。

4 探索三維地面激光的移動(dòng)式掃描技術(shù)的應(yīng)用

雖然目前三維地面激光掃描在各種工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，然而移動(dòng)式激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)一步地研究探索。利用車載激光掃描技術(shù)能夠在車輛行進(jìn)的過(guò)程中對(duì)較大范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的獲取。移動(dòng)式激光掃描技術(shù)通過(guò)IMU以及GPS來(lái)實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的對(duì)大范圍內(nèi)的地物數(shù)據(jù)的采集，其缺點(diǎn)在于點(diǎn)云的密度要低于固定式激光掃描。

目前制約了移動(dòng)式激光掃描應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于由于民用IMU技術(shù)的限制比較大，GPS在建筑物比較密集的地區(qū)會(huì)發(fā)生失鎖問(wèn)題以及點(diǎn)云密度不高，造成其整體精度相對(duì)較低。同時(shí)由于對(duì)移動(dòng)式激光掃描所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理的軟件系統(tǒng)還不成熟，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類管理以及紋理匹配等方面的技術(shù)水平還比較低，因此，難以有效對(duì)大范圍數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)進(jìn)行建模。這些問(wèn)題還需要通過(guò)進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)來(lái)加以解決。

5 結(jié)語(yǔ)

地面三維激光掃描是一種先進(jìn)的在三維空間內(nèi)獲得數(shù)據(jù)信息的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)的工程測(cè)量方法相比，該技術(shù)能夠迅速無(wú)接觸的獲取高精度和高密度的地物數(shù)據(jù)，有效地提高了工程測(cè)量的效率和精度，其應(yīng)用前景十分廣闊。但我國(guó)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，應(yīng)用方法和工藝流程還不完善，缺乏統(tǒng)一的測(cè)量檢定標(biāo)準(zhǔn)。而且相關(guān)的技術(shù)還主要依賴于進(jìn)口，應(yīng)用成本比較高，限制了應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。同時(shí)該技術(shù)的應(yīng)用需要相關(guān)內(nèi)業(yè)處理軟件支撐，我國(guó)在相關(guān)軟硬件的研發(fā)上還有較大的差距。因此，相關(guān)的測(cè)量單位和研究人員要加大對(duì)該技術(shù)的研究力度，開(kāi)發(fā)高精度的國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備，降低應(yīng)用成本。同時(shí)要制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)范，大力開(kāi)發(fā)相關(guān)的內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)的處理分析效率，從而充分發(fā)揮該技術(shù)應(yīng)有的作用。