簡述三維激光掃描技術在測繪中的應用

(成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059)

一直以來，準確、快速、有效地獲取空間三維數據信息都是地球科學領域研究的重點內容之一。隨著計算機技術的廣泛應用，以及地理信息科學技術研究的深入和“數字城市”、“智慧城市”、“數字文物”、“虛擬現實”、“逆向工程”、等概念的提出，人們對空間三維信息的需求已經變得更加迫切。傳統的基于測距側角的方法只在稀疏目標點的高精度測量方面效率很高，攝影測量和遙感方法獲取的是二維影像數據，不可避免地丟失了部分集合信息。因此，傳統的獲取空間三維信息的方法已經難以滿足社會發展的要求。三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology),又稱實景復制技術,具有高精度，高效率的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供被掃描的目標表面的三維點云數據信息,因而可以用于獲得高精度，高分辨率的數字地形模型。由于三維激光掃描具有高精度、高密度、主動性、快速性、穿透性、不接觸性、實時、動態、自動化等特性,三維激光掃描技術的應用和推廣在今后將具備重大的意義,可以說是在測繪領域中繼GPS技術之后的又一次技術革命。

一、三維激光掃描優勢

(一)遠距離非接觸測量。三維激光掃描技術的最大特點就是遠距離的非接觸測量。三維地面激光掃描是直接使用發生激光得激光器對物體進行測量，直接獲取物體表面的三維激光點云坐標數據信息，不需要發射棱鏡或者需要人工到達現場進行測量。三維激光掃描系統獲取的激光點云數據的坐標真實可靠。可以用于危險地、人員難以到達等地方的遠距離測量，比傳統測量方法具有較大的優勢。

(二)數據密度大、速度快。無論是脈沖式激光掃描的設備還是相位式激光掃描的設備，設備激光掃描速度均可以達到數千點/秒甚至是可以達到數十萬點/秒。激光獲取點云的掃描速度是傳統方法不能比擬的。三維激光掃描設備通過激光發射器主動發射激光，利用回波信號得到被測物體的點坐標數據信息，現場測量時，不受外部環境的影響。

(三)精度高。三維激光測量系統可以獲取高密度和高精度的激光點云數據，采集到的激光點云數據分辨率也較高[1]。

(四)可與常規測量設備聯合使用。三維激光掃描技術可以獲得被測物體的多種多樣信息，包括激光點云坐標信息、RGB信息和反射率信息等，這些信息大大擴展了三維激光掃描技術的運用范圍，特別是和傳統的全站儀、GPS等測量手段結合使用，進一步擴寬了三維激光掃描技術的應用。

二、三維激光掃描技術的應用

(一)地面三位激光掃描技術在文物測繪中的應用。文物是古代人民的勞動結晶，通過研究文物可以獲得豐富的研究成果，對了解古代人民的生活勞動方式具有重要意義。對于某些文物來說，在三維激光掃描技術中的三維建模里，當文物的三位掃描模型被建立后，可以得到多方面的好處。三維激光掃描技術以不損傷物體的手段,獲得文物的外形尺寸和表面紋理,這樣做成的電子文獻,信息完整全面,易于保存,并且能詳細了解表面,隨時方便地得到等值線、斷面、剖面等[2]。當建筑和文物遭到破壞后利用三維激光掃描技術能快速而準確地修復和恢復數據。

(二)三維激光掃描技術在工程測量中的應用

(1)帶狀和局部地形測量：帶狀地形圖測量主要對線路兩旁(鐵路、公路、河流兩岸等)的局部不規則帶狀地形進行測量；局部地形測量主要對危險的或者人員難以到達的地帶(如巖壁、開挖區、塌陷等)進行測量。三維激光掃描測量可以保障人員安全，這些地形測量工作較傳統的測量方法有更高地效率。

(2)路面測量：用于路面竣工已后的質量檢測；計算路面平整度；也可以為道路設計提供實地模型。

(3)大型土木工程形狀測量：包括對隧道、橋梁、地下坑道等在施工過程中和竣工后的形狀測量，既可以進行施工指導和質量控制，又可以作為數字文檔資料。

(4)變形監測：相對于傳統的測量方法與技術(GPS、全站儀)而言，其精度均勻、密度高，可以發現變形體局部細節變化，也便于從整體上分析和評價變形體的穩定性。對滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁等工程變形監測有很好的前景[3]。

(三)三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用。隨著時代變化和人們思想觀念的改變，礦山所涉及的內容越來越廣泛。我國自改革開發以來，礦山測繪工作也受到重視，三維激光掃描技術作為高速測量全站儀系統，其特點包括速度快、受環境影響較小和非接觸測量，越來越多的應用到礦山測量中。主要用主動式激光掃描來完成的[4]。

(四)三維掃描技術在逆向工程的應用。逆向工程是指在設計圖紙不完整，乃至沒有設計圖紙或CAD模型的情況下，按現有實物的模型，使用各種CAD技術及數字化技術來進行重新構造原形的CAD模型的過程。早期設計師在進行產品的造型設計時，所采用的方法主要是正向設計法；這是一個從概念設計起步到CAD建模、數控編程、數控加工的過程，產品造型設計的正向設計流程示意：概念設計→CAD/CAM系統→制造系統→新產品。但對于復雜的產品，正向設計方法也顯示出了他的不足，設計過程難度系數大、周期較長、成本高、不利于產品的研制開發。逆向設計正在方法改正向設計過程中所產生的局部問題，正是在這樣的背景下三維掃描技術應用到逆向設計方法中。

(五)在其它領域的應用。三維激光掃描技術除了在上述行業中的應用外，還廣泛應用于醫學、水利水電測繪、地籍測繪等各個行業中，三維激光掃描技術將具有很大的發展空間，將會成為一種普遍在測繪領域應用的新技術手段，因此，加強對三維激光掃描技術在測繪中的應用研究迫在眉睫。

三、結論與展望

三維激光掃描技術與其他三維數據獲取方法相比：非接觸測量，不用設置放射棱鏡，這樣就可以避免測量人員到一些危險的地方安置棱鏡。三維激光測量的方法與傳統的三維數據獲得方法相比，它是通過掃描的方式來獲取目標海量的點云數據，能更快速的獲得得到高分辨率的數據。對于目標物的掃描測量比傳統的單點采集方法更細致，而且采樣率高，這些是傳統的測量儀器無法企及的。跟隨著三維激光技術的不斷發展與更新完善,以及物體三維信息數據需求量的增加,三維空間技術將和現代經典測量技術相互結合，融為一體,作為一種新的空間數據獲取的手段,三維激光掃描技術具有更加寬闊的發展空間,它將會成為一種普遍應用于測繪領域的新技術。

[1]鄭俊鋒,于水敬,張志友,胡國奇,劉鐵柱.三維激光掃描系統在測繪技術中的應用前景[J].科技信息,2007,30:10.

[2]李莎莎,焦元冰.三維激光掃描在文物建筑測繪中的應用[J].科技傳播,2017,8:183.

[3]吳闖,周正鋆,張慶軒.三維激光掃描技術在測繪中的進展及應用[J].科技信息,2014,5:120.

[4]齊坤.淺談三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用[J].世界有色金屬,2016,(13):0181-2.