三維激光掃描技術在測繪領域中應用探究

龐 振

（新疆維吾爾自治區煤田地質局綜合地質勘查隊，新疆 烏魯木齊 830009）

隨著經濟社會不斷發展，相應的測繪工程也越來越多，在人們的現實生產生活當中，很多都需要開展相應的測繪工作，如建筑工程建造之前進行高精度的測繪工作，能夠有效提高工程建設效率與質量，保證建筑工程安全。同時在地質勘探過程當中也需要進行精確的測繪工作，通過測繪工作的有效開展，來更好地指導下一步工作的正常推進。由此可見，測繪技術有著非常廣泛的應用，而且還是在不斷實踐應用中不斷進步與發展，如在測繪領域當中，GPS 技術應用時間最早，在測繪領域當中發揮著巨大的作用，而且在不斷應用過程當中獲得了很好的發展。如今在測繪領域當中應用的三維激光掃描技術，是一種新興的測繪技術手段，伴隨現代科學技術水平的快速推進，三維激光掃描技術呈現出良好的發展勢頭，被普遍應用于諸多測繪領域當中。雖然三維激光掃描技術作用優勢非常突出，但作為一種新型的測繪技術手段，還有很大的發展空間。所以在測繪領域當中應用三維激光掃描技術過程當中，還應當結合應用實踐，不斷總結技術經驗，將三維激光掃描技術在測繪領域當中的作用優勢充分發揮出來，才能為推動測繪領域持續健康發展奠定堅實的基礎，還利于三維激光掃描技術的不斷更新與進步[1]。

1 三維激光技術在國外的概況

伴隨科學技術的高速發展，三維激光掃描技術也迅速發展起來，并成為21 世紀最有發展潛力的新興測量技術手段，三維激光掃描技術不僅有著非常高的測量精度，而且在測量過程當中效率十分高，能夠進行實景可視化，尤其在一些發達國家，此項技術應用十分的廣泛。例如在監測變形事件過程當中發揮著十分重要的作用，各種管道道路建設項目建模，還有保護文物方面，這些技術都發揮著十分重要的作用。日本福島在2011 年3 月發生嚴重地震與海嘯，對日本福島核電站造成巨大影響，因此其基礎設施的安全性也受到了社會各界的廣泛關注。日本有關部門通過三維激光掃描技術應用，及時準確的了解到福島核電站在地震海嘯災害之后各種新情況，進而更加科學合理的掌控災后處理工作。英國在2014 年將三維激光掃描技術應用于公路交通當中，發生于高速公路上的事故，可以通過三維激光掃描技術及時的進行現場取證，能夠充分了解和掌握事故發生時的具體場景，并通過不同角度來展現事故場景圖，更加科學合理的界定事故責任，對判定事故責任關系提供了重要的參考作用，而且還是事故處理效率大幅增強。河南地球物理以及地球信息科學院S.SLOBANDH.R.G.K.Hack，對于一些具有較好規整性的結構面，以及裸露在外簡單地形實現精準識別，但在實際應用過程當中還有一些問題存在，需要及時的應對和解決。新加坡以及意大利的Rongjun Qin 等將基于圖像三維移動接到撤回系統聯合三維激光掃描技術，能夠更加全面及時的采集城市街道的實際景觀，了解這些信息的變化，并對城市當中相關基礎設施安全性做出精準的判斷，了解城市健康狀況，提升城市數字化發展。意大利于新加坡Francioni M 等和普通的測量技術充分結合聯合應用三分激光掃描技術，來科學系統的評估采石場受到滑坡體的威脅性，并在此基礎上對相應的三維成果進行獲取，通過三維激光掃描技術，針對采石場進行三維建模，及時了解和掌握巖石邊坡穩定性，取得了巨大的工作實效。比利時Schueremans L 等通過三維激光掃描技術的應用，給當地一所教堂三維點云數據全面獲取，并對其三維模型進行相應構建，及時了解和掌握教堂結構穩定性，并通過點云全面分析教堂結構特點，獲得詳實的三維激光掃描數據，構建數據庫，對指導修復和保護工作起到了非常重要的作用。三維激光掃描技術的應用實例，數不勝數，在國內外測繪領域有著十分普遍的應用，其高精度、高效率，實景可視化等諸多優勢，成為測繪領域當中不可或缺的重要先進技術手段。

2 三維激光技術在國內的概況

近年來隨著此項技術不斷發展，我國在測繪領域當中應用三維激光掃描技術也越來越普遍。但是與國外一些發達國家相比，在測繪領域應用三維激光掃描技術開展測量工作，應用時間相對較晚，但是其發展速度卻非常的快，近年來，在我國經濟社會高速發展背景下，科學技術日新月異，三維激光掃描技術更是突飛猛進，三維激光掃描技術在我國很多領域當中的應用現已步入國際先進行列。目前在森林資源監測過程當中，通過大數據和三維點陣式云通過大數據和三維點陣式云數據分析，能夠全面精準的獲取森林樹木的高度以及胸徑，數冠總體體積以及其表面積和材料體積等各種信息數據，在探索研究樹木測量基本設計理念以及實際適用性問題方面獲得了巨大的發展。如四川省安全科學技術研究院，在安全生產過程當中首次引入三維激光掃描技術，在礦山安全領域發揮了巨大的作用，通過三維激光掃描技術的應用，能夠針對礦山山體進行三維建模，及時了解安全隱患，并指導礦山安全生產與監管，并在危化品管理領域當中發揮著巨大作用，通過結合應用紅外線技術和三維激光掃描技術，能夠全面系統的監控與管理化工區的安全隱患，同時達到量化管理特點，可以有效控制和減少事故發生。成都理工大學通過應用三維激光掃描技術，在地質工程領域獲得了巨大突破，特別是錦屏水電站開發建設過程當中利用三維激光掃描技術，來對開發邊坡進行研究，取得了重大的工作突破[2]。

3 三維激光掃描技術工作原理及技術特點

在測繪領域當中應用三維激光掃描技術，主要是通過高速激光非接觸式測量，來對地形以及復雜物體相關信息數據和影像信息進行獲取，基于相關數據處理軟件，來有效處理三維點云數據，對絕對坐標系中的三維空間數據坐標進行獲取與轉換，并構建三維模型，通過相應的格式輸出，獲得相應的測繪成果。

3.1 系統組成

激光發射以及接收機，二維掃描機構和光學準直系統以及數據處理系統共同組成三維激光掃描系統。

3.2 工作原理

三維激光掃描系統的主要原理為，脈沖激光通過激光發射機發射出之后，光學準直系統來對脈沖激光進行準直，并經過二維光學掃描系統向目標表面進行反射，并在目標反射基礎上，激光接收機對反射過來的激光信號進行檢測，并將其進行電信號轉換，通過放大電信號。利用測量激光脈沖發射時間以及激光信號反射接收時間k，便可將目標相聚三維激光掃描儀之間的距離給解算出d＝（c×t）/2，其中c為光速。基于二維光學掃描系統，能夠對各個激光點的具體方位以及俯仰坐標進行測出，在濾波、成像以及建模處理下三維點云數據，根據用戶需要生成相應的成格式。

3.3 技術特點

隨著科學技術不斷發展，三維激光掃描技術近年來也獲得了巨大提升，而且其應用也十分廣泛，這主要是由于三維激光掃描技術相較于傳統測量技術，有著更大的優勢，可以快速精準的獲取測量目標，高精度高分辨率的數據信息，同時能夠掃描任何物體，不受白天黑夜以及天氣因素影響，在復雜的條件下也可高效的完成測量工作，測量過程當中不與進行接觸，測量成本大幅降低，而且還有效控制了測量時間，與精力投入。

4 三維激光掃描技術在測繪領域的應用

4.1 繪制數字地圖

三維激光掃描技術，聯合應用全球定位系統以及慣性導航系統以及CCD 相機等，可以快速精準的獲取地理信息數據，重建城市三維模型，成為遙感技術與攝影測量不可或缺的重要技術補充。

4.2 水利水電測繪

在水利水電工程建設過程當中，主要是在一些高山峽谷地帶，這些地區建設水利水電工程非常險峻，同時為了保證水利水電工程設計質量，必須要展開精準全面的測量工作。但是這些險峻的地形地貌對測量工作造成很大影響，如果利用傳統的測量手段開展測量，工作難度非常大，還極易造成人員傷亡，而通過三維激光掃描技術進行測量這些問題便可得到迎刃而解，可以快速獲取更加精準全面的測量數據。

4.3 建筑物變形監測

各種建筑物由于受諸多因素影響，都會產生變形問題，為了更好的了解和掌握建筑的安全情況，必須要對建筑物開展精準的測量工作，過去再對建筑物變形測量過程當中，利用GPS 聯合相應技術開展近景攝影，這種傳統的測量方式存在很大的不足，不僅測量工作過程當中操作起來十分繁瑣，而且精確度很能得到保障，而通過三維激光掃描技術應用，能夠精準全面的對建筑物開展測量工作，了解建筑物變形情況。

4.4 文物測繪

近年來隨著經濟社會不斷發展，文物保護工作也受到了人們的廣泛重視，而在文物保護工作開展過程當中，更需要將測繪工作技術優勢充分發揮出來。但是過去測繪工作開展過程當中都是應用傳統的測量手段來進行測量，這些測量主要停留于外觀層面，很難了解文物內部結構特征，行，構建過程當中還有很多不足存在。而利用三維激光掃描技術對文物進行測量，可以快速精準的獲取文物三維激光掃描數據，掌握局部特征和內部結構特點，利用三維建模并在計算機系統中保存數據，在發生文物損壞時，可以利用三維激光掃描數據，準確的進行修復[3-5]。

5 三維激光掃描技術在測繪領域的發展趨勢

隨著科學技術不斷發展，三維激光掃描技術近年來已呈現出良好的發展勢頭，過去應用三維激光掃描技術進行測量過程當中都是一些固定式的設備，近年來三維激光掃描技術正在向著移動式方向發展，同時聯合應用傳感器技術，能夠對目標信息更加精準全面的獲取。同時近年來半導體器件發展速度很快，為了進一步提高三維激光掃描技術效率和質量，也打破了三維激光掃描技術過去單元探測體制局限性，逐漸向多元探測體制方向發展。雖然我國三維激光掃描技術在測繪領域起步時間較晚，但是近年來，在科學技術日新月異的背景下，三維激光掃描技術也在日漸成熟，并在諸多測繪領域發揮著巨大的作用，成為當前側位領域不可或缺的重要技術手段，相較于其他傳統測繪技術有著無可比擬的優勢，未來三維激光掃描技術應用領域將更加的廣泛，發揮的作用會越來越大。