地面三維激光掃描測量技術及其應用與發展趨勢分析

李永超，吳 橋

（貴州省地質礦產勘查開發局一0三地質大隊，貴州 銅仁 554300）

隨著近年來地面三維激光掃描測量技術的發展，該技術進一步解決了上述傳統三維數據獲取方法得缺點。下文將通過地面三維激光掃面測量技術的工作原理、應用及其應用前景進行詳細的描述。

1 地面三維激光掃描測量技術的工作系統及工作原理

1.1 工作系統

地面三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、數碼相機、掃描儀旋轉臺、數據處理平臺、數據控制平臺等構成。其中三維激光掃描儀目前應用較為廣泛的有TOF脈沖測距法，根據其技術規格可劃分為典型地面三維激光掃描毫米級儀器裝備和近距離的微米級儀器裝備。利用三維激光技術，可在復雜的環境場地下進行工作，對一些不規則、結構面較多以及具有多個不規則面的三維實體進行測量，可對空間內點、線、面、體進行高精度的測量，進而快速且較高精度的構建出空間標準的或者不標準的實體。同時，利用三維激光掃描系統的數據控制和處理平臺，對三維實體的數據進行分析處理，根據用戶所需，提取對其所需的空間三維數據，對其實體進行三維建模和繪圖。譬如應用在在地形測量、工業應用、跌路建設等方面。

1.2 工作原理

地面三維激光掃描測量技術工作原理主要是利用光的反射原理。具體工作原理如下：第一，利用三維激光掃描儀中的激光脈沖二極管發射出激光脈沖信號；第二，激光脈沖信號經過旋轉棱鏡，照射在被測的目標物體上；第三，通過探測器接收由目標物體最終發射回來的脈沖激光信號；第四，通過記錄器記錄發射回來的脈沖激光信號，并轉化為可直接識別處理的目標數據信息；第五，通過軟件對其可直接處理的目標三維數據信息進行分析建模，模擬出實體的三維模型。其工作原理圖如圖1。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

2 地面三維激光掃描測量技術的應用

地面三維激光掃描測量技術作為目前先進的三維空間數據獲取技術，在諸多方面有著較為廣泛地應用。其主要應用于空對地的觀測和工業測量中，譬如在地形地貌的測量、道路施工測繪、橋梁設計監測等諸多方面。除此之外，地面三維激光掃描測量技術還應用于考古、核電站、建筑業、醫學、水利、能源等諸多方面。

2.1 礦山測量

人類的發展和生存離不開礦山資源，合理且有效的利用礦山資源對人類社會的進步和建設有著至關重要的作用。同時，礦山資源對國家發展起到極大的作用。如何對礦山開采設備、工業實施區、以及礦山地面測量等進行準確地測量關系到整個礦山開采的命運。但由于礦山環境復雜，傳統的三維數據獲取技術很難滿足其發展的需求。因此，在礦山測量中，地面三維激光掃描測量技術有著極其重要的作用。地面三維激光掃描測量技術可以利用激光分段掃描，獲取復雜實體的三維點云數據，利用數據處理軟件，對其點云數據進行模擬拼接等，從而構建出結構復雜、不規則或規則的工業廠區、工業設備等三維可視化模型和圖件，譬如石油廠、化工廠、煤礦管井布置等。

2.2 道路工程測繪

由于傳統的道路測繪在信息提取方面較為單一，導致其測量結果存在一定誤差，且測量技術也有較大缺陷。通過利用地面三維激光掃描測量技術，在道路測繪方面實現了較為重大的突破，為道路測量者提供了更便利準確的技術，在道路測量中在下幾個方面實現了突破。第一，在道路掃描方面，地面三維激光掃描測量技術可實現對地面進行高密度且均勻的掃描，使其掃描數據更為精準。第二，在采集外業數據時，可通過布置和測量標靶及不同控制點，合理設置掃描距離，并對采樣間隔進行合理設定，從而實現掃描數據的準確性和高精度性。第三，利用地面三維激光掃描技術的數據處理平臺，可對道路三維點云數據進行更好的處理，進而模擬出更為真實的道路可視化模型和圖件。

2.3 地鐵隧道斷面測量

地鐵隧道在施工完成后，要對其斷面測量，因此，地面三維激光掃描測量技術在其斷面測量中有極其重要的作用。其相比傳統的測量技術有以下優點：第一，地鐵和隧道的建設對國民經濟的發展有極其重要的作用，同時其運行安全是首要地位。因此，在地鐵隧道斷面測量中，其數據的精確性和準確性要求極高。地面三維激光掃描測量技術，通過高密度、均勻的點云數據對其實體進行數據收集，從而使得測量數據的精準性大為提高。第二，地面三維激光掃描測量技術通過非接觸式測量，從而消除了在測量過程中對其斷面的損傷，減少了資源消耗。

2.4 工程檢測

工程監測對工程的運行和管理起到至關重要的作用，工程監測影響到整個工程的安全運行，同時也關乎到人民財產的安全和國家經濟的發展。在工程監測方面，地面三維激光掃描技術起到了重要的作用。其在滑坡監測、橋梁監測、建筑物形變監測、油氣設備形位監測等方面均有所應用。將地面三維激光掃描技術應用于工程監測方面其優點在于，能過更加準確的對工程的形變、位移等進行觀測，有利于工程管理者更早的發現工程在運行過程中存在的隱患，從而及時排查和修復，避免或降低工程在運行過程中帶來的潛在危害和危害。同時，也可對滑坡等自然地質災害進行監測，避免或減輕自然災害對人民財產帶來的危害等現象。

3 應用前景分析

由于地面三維激光掃描測量技術相比其他傳統的三維數據獲取技術有較大的優越性，主要體現在其利用高密度的點云數據和非接觸式測量方法，并結合數據處理平臺對其點云數據進行系統處理分析，生成高精度可視化的三維圖像和圖件。提高了空間三維數據獲取的準確性，實現了三維數據獲取的高效性。

4 結語

地面三維激光掃描測量技術相比傳統的三維數據獲取技術有著較大的優越性，可用高密度的點云數據及以及數據處理平臺，對復雜、不規則等空間實體進行高精度的測量等。目前，地面三維激光掃描測量技術已被廣泛的應用于社會各個領域。譬如工程工業測量、工程檢測、醫學、考古、林業測量、核工業、水利、能源等方面。除此之外，隨著社會科學技術的發展、社會市場的需求以及地面三維激光掃描測量技術本身的優越性。因此，在未來社會市場中，地面三維激光掃描測量技術有著更大、更好的發展空間。