三維激光掃描技術在工程測量中的應用研究

馬 長 清

(湖南高速鐵路職業技術學院,湖南 衡陽 421002)

隨著社會經濟的快速發展，人們對建筑工程的要求也越來越多樣化，各種各樣的仿生外形也賦予了建筑物新的活力，與此同時復雜與特殊的建筑施工工藝對施工數據的要求也越來越高，傳統的測量設備與測量方法也無法滿足，這也促進了新的測量技術與測量方法的誕生。三維激光掃描技術就是一種新型的技術，被人們稱為“實景復制技術”，通過對多種輔助設備與技術的應用，能夠低成本高效率的獲取更高質量的海量數據，更精細的體現建筑物的特征信息，為工程施工的順利進行提供有力的科學支持。

1 三維激光掃描測繪技術原理與特點

三維激光掃描儀是一種通過綜合多種先進輔助技術的掃描測量系統，主要由計算機、高分辨率相機、線結構激光光源、可控制旋轉濾光鏡、控制電路板等組成。主要核心技術:

1)空間點陣掃描技術：

控制多面反射棱鏡的轉動，使得激光光束沿X,Y兩個方向進行快速掃描，實現高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度及高幀頻成像。

2)激光無反射棱鏡長距離快速測距技術：

儀器向目標射出光束，計算激光飛行時間計算儀器到目標點的距離。

三維激光掃描技術實際應用具有一定的優勢，除了測量精準度比較高之外，還具有其他的特點：

1)通過激光發射進行掃描測量，能夠有效節省測量時間。同時在測量中可以減少對測量區域的污染與破壞。

2)該技術綜合利用多種設備與技術，可以短時間內獲取海量的測量數據，保證量測的精度。

3)該技術利用自發光束進行測量操作，不受光線條件影響。

4)該技術自動化程度高，設備體積小，對操作人數要求小，測量成本投入少。

2 工程概況

本次涉及的工程為購物藝術綜合中心，位于市中心主干路與河流交叉口南岸，工程建筑面積約34萬m2，該建筑綜合體項目包括藝術展覽館、購物商場、星級酒店、寫字樓及公寓等多項功能于一體，建成后將成為該城市最大的單體建筑。整個建筑整體向外傾斜，外形現代時尚，由多個結構錯落疊置在一起，每個結構的線條又變化多端。這些對于傳統的測量方式都是極大的挑戰。

3 三維激光掃描技術在工程建模中的應用

3.1 外業數據采集

1)掃描方案設計。

掃描方案要注意的幾點：

a.站點布設。要保證測站之間不能有障礙物，相鄰測站之間的掃描重疊度大于1/4，保障掃描數據的完整性。

b.分辨率設置。目標要進行多位置掃描測量，每次測量前要根據與目標物的距離調整掃描儀的分辨率，使掃描效果達到最佳。

c.標靶布設。相鄰測站重疊區域布設的標靶個數要大于3，均勻分布在測量場區。該項目最終確定布設要28個測站，四周21個，頂部7個。

2)控制測量。

為保障對該建筑物的掃描數據形成整體控制，測量方案中計劃將在掃描項目周圍均勻的布設8個控制點。在控制點布設過程中將會利用RTK技術布設綜合利用城市測量綜合服務系統以及城市似大地水準面，誤差可以控制在2 cm以內。

3)數據采集。

按照作業計劃對建筑進行測量掃描，并利用集成相機對場景進行拍攝，最后要對公共標靶和控制點進行掃描，以便后期點云配準。

3.2 內業數據處理

1)點云去噪處理。

將采集的數據傳輸到計算機中，利用專業軟件對數據進行去噪，因不同實體反射而產生的噪聲點可利用濾波方法處理；由于障礙物與光束穿透形成的噪聲點，可在通過Leica Cyclone軟件中的人工交互的方式進行噪聲點批量去除。

2)測量結果對比分析。

選取點云模型上10條特征邊長與全站儀觀測數據進行對比發現相對差小于1‰，見表1，符合《城市測量規范》中1∶500DLG測量控制要求。

表1 掃描儀與全站儀邊長測量數據對比

4 實體建模

本次工程的實體建模將根據建筑不同的位置采用不同的方法，針對結構相對簡單的建筑主體將采用幾何模型重建方法，而對有著不規則藝術造型的建筑表面以及異形屋頂將采用模型重建方法。

1)幾何模型重建。利用Leica Cyclone軟件，綜合運用特征點擬合法、切片法、投影法，提取括建筑物的邊界、輪廓、屋脊等特征線進行幾何模型的重建。

2)表面模型重建。首先將數據輸入到Leica Cyclone軟件中構建無數個不規則的三角網，用來模擬建筑表面的具體形態特征，然后在保證精度基礎上精簡三角網數量，最后要根據建筑表面特征數據對三角網進行補充，最終形成比較完整的三角網模型。

3)模型優化。利用3dsMax軟件對模型進行優化，使模型更具有美感，更加逼真。

5 結語

在越來越復雜的施工建設中的測量技術要求也愈來愈高，三維激光測量技術的出現，可以使得工程建設的測量工作高效率、高質量、低成本的獲取海量精準數據，為項目的順利建設保駕護航。數字化測繪技術已成為未來測繪技術的發展方向，在現代化工程建設中應結合項目特點，不斷推進三維激光測繪技術的進步。