三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應用

趙洪禮

摘? 要：三維激光掃描技術(shù)具有實時動態(tài)、無需接觸、高精度等特點。文章通過介紹三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理，對其在工程測繪中的應用情況進行了探討，同時提出了幾點淺顯的建議，希望能給廣大同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);工程測繪;點云;噪聲數(shù)據(jù)

1引言

三維激光掃描技術(shù)于上世紀90年代中期誕生，它是繼GPS技術(shù)出現(xiàn)后測繪領(lǐng)域的又一次重大的革命性成果。相比較于傳統(tǒng)的測量方法， 三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射高速激光來全面掃描被測物體，可以快速、大面積、高分辨率地獲取到被測目標的表面反射率、紋理以及三維坐標數(shù)據(jù)，進而可以復建出物體的線、面、體等各種圖件信息以及三維模型，具有實時動態(tài)、無需接觸、高精度等特點。作為一種新型的測繪方法，目前，三維激光掃描技術(shù)已廣泛應用于工程測繪領(lǐng)域，對于提升我國測繪行業(yè)的整體水平具有十分重要的意義。

2 三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成及原理

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計算機、控制器、數(shù)據(jù)處理平臺及其他相關(guān)設(shè)備組成（如圖1所示），該系統(tǒng)是一種集合多方面高新技術(shù)的全新空間數(shù)據(jù)信息采集手段。作業(yè)時，發(fā)射器利用二極管發(fā)射激光脈沖信號，經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡將信號射向目標，同時利用探測器來接收反射回來的激光信號，并通過記錄器來記錄，最后將其轉(zhuǎn)化成為可以被識別并處理的信息數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀在掃描實體目標時，能夠獲得不同目標對激光產(chǎn)生的光射時間差，進而將物體與激光之間的距離測量出來，再通過編碼器測量掃描儀的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與水平旋轉(zhuǎn)角度，最終獲得被測物體表面的所有離散點的空間三維坐標，所有離散點的集合稱為“點云”或“距離影像”，由點云構(gòu)成的影像和掃描柵格影像的主要差異就是其是可測量的，激光掃描不需要光源，能夠在黑暗環(huán)境和夜間進行掃描作業(yè)。

2 三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應用

2.1技術(shù)流程

以某道路工程為例，三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程主要有控制測量、標靶掃描、數(shù)據(jù)濾波、點云拼接、DEM建模、縱橫斷面圖生成（如圖2所示）。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本文以徠卡HDS8800三維激光掃描儀為例，該儀器具備對中整平功能，屬于全站式三維激光掃描儀，能夠像全站儀那樣開展外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作，并且測量獲取的點云就是實際中的三維坐標。在進行測量的時候首先需要觀察周圍壞境，將控制點布設(shè)在測區(qū)之中，平面控制測量采用全站儀、全球定位系統(tǒng)完成。高程控制測量采用水準儀進行，掃描作業(yè)的時候利用在已知控制點進行設(shè)站操作，然后將各個站點和其他地理坐標之間的關(guān)系進行科學合理的設(shè)置。采樣間隔確認后進行掃描，如果采樣間隔過大的話，那么就會對后期的數(shù)據(jù)處理精度產(chǎn)生一定影響;如果采樣間隔過小的話，采集到的點云數(shù)量就會比較龐大，這些都會給后期的數(shù)據(jù)處理造成一定的困難。在通視條件良好時，相鄰站掃描距離宜在80m左右，這樣能夠保證相鄰測站之間的點云存在一定的重疊。如果通視情況并不理想，則需要合理增加掃描的站數(shù)，一直到掃描所有的區(qū)域目標為止。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描工作完成后，會獲取到大量的三維點云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中未免會包含一些如樹葉、風沙和車輛等無用的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)稱之為噪聲數(shù)據(jù)，必須將這些點云處理之后再進行利用，從點云到測繪結(jié)果的獲取包括拼接點云數(shù)據(jù)、濾波、構(gòu)建TIN等，圖3為應用車載三維激光掃描技術(shù)進行道路測繪的點云與全景影像。

2.3.1 點云數(shù)據(jù)拼接

將不同測站掃描得到的數(shù)據(jù)進行拼接并統(tǒng)一在相同的坐標系下，主要的方法就是利用網(wǎng)絡(luò)RTK等常規(guī)測量手段將測站坐標聯(lián)測出來。在進行掃描的時候，各個定向點與測站點可以直接定位在控制點的坐標上，并且還可以將其數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃到測量區(qū)域的地理坐標中去。通過這種方式進行測量不會發(fā)生多站坐標轉(zhuǎn)換時所導致的傳遞誤差，同時整體精度較為均勻。

2.3.2 數(shù)據(jù)濾波

在掃描的時候由于會受到樹木、行人植被及地表復雜程度等方面的影響，因而容易產(chǎn)生噪聲點，這些噪聲點會造成點云存在會使得點云發(fā)生誤差，所以只有將這些噪聲點充分清除掉，才能開展其他方面的操作，因而將剔除錯誤數(shù)據(jù)的過程叫做數(shù)據(jù)濾波。

2.3.3 構(gòu)建TIN生成等高線及縱斷面圖

處理后的點云數(shù)據(jù)的組成主要有高密度的三維離散點，通過網(wǎng)絡(luò)軟件將這些點生成連續(xù)而不規(guī)則的三角網(wǎng)并將其優(yōu)化，進而生成等高線，并且依據(jù)需要進行等高線的間距設(shè)置。在TIN模型中插入附帶有設(shè)計樁號的道路設(shè)計中線，依據(jù)設(shè)計方案的中線斷面間距和橫斷面寬度，最終生成滿足需求的縱橫斷面圖。

3 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)是一種比較先進的三維空間數(shù)據(jù)獲取手段，與傳統(tǒng)的測繪方法相比，該技術(shù)體現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢，其必將具有廣闊的應用前景。但該技術(shù)目前還處在發(fā)展階段，相關(guān)規(guī)范和標準還不完善，使用成本也比較高，配套的內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)也不夠成熟，相信隨著科技的不斷發(fā)展，這幾方面的問題必定會得到解決，從而發(fā)揮出其應有的價值。

參考文獻：

[1]馬利，謝孔振，白文斌，白建軍.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應用[J].北京測繪，2011，02：48-51.

[2]夏斌斌，梁春滿.淺談地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應用[J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2017（18）.

[3]劉萍.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應用[J].包鋼科技，2015，02：90-92.

[4]邱貞生.三維激光掃描技術(shù)在礦山采空區(qū)測繪中的應用[J].福建地質(zhì)，2012，01：90-94.