地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用分析

郭曉鵬 李哲

摘 要：若是使用傳統意義上的技術手段來完成工程測量工作，那么不僅測量效率得不到有效提高，測量精度也得不到充分保障。隨著社會經濟的飛速發展，科技水平有了很大的提升，逐漸出現了一種新型的地面三維激光掃描技術，具有操作簡便、測量速度快以及精度高等優點，已經被廣泛應用到了多個領域。

關鍵詞：地面三維激光掃描技術;工程測量;應用分析

中圖分類號：P225.2;TU198 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，三維激光掃描技術逐漸被應用到醫療、軍事以及航空航天等諸多領域中，為人們提供了更加精確的數據支撐。對于工程的測量工作而言，有效保證所測數據的準確度尤為重要，如果采用傳統意義上的人工測量方式，那么必定會出現巨大的誤差，而通過對三維激光掃描技術的合理應用，不僅能增強施工方案的科學性，還能提高測量數據的精準度，為地面工程測量提供了極大的便利。

1 地面三維激光掃描技術的概述

1.1 技術原理

在正式應用地面三維激光掃描技術進行工程測量的過程中，操作人員可以控制激光掃描儀來對各點位實施掃描測距，通過向被測物體發射激光光束，將發射與接收激光的強度和時間差作為依據，合理匹配各掃描點的顏色灰度，不僅能保證激光測距的準確性，還能快速獲得被測點位的空間坐標，并重復上述操作，對各點位實行三維的激光掃描。除此之外，還要將最終得到的測量數據和三維坐標值存儲在云數據庫抑或是配套數據庫中，并對這些數據展開綜合分析和優化處理，在此基礎上完成三維影像、模型的構建[1]。

1.2 技術特征

通過對三維激光掃描技術的實際應用成效進行仔細分析，發現其具有數據采集率高、分辨率高以及精度高等特征。其一，數據采集率高指的是采用相位激光抑或是脈沖激光來達到三維掃描效果，能夠在很短的時間里對整個掃描范圍內數萬甚至數十萬點數據開展非接觸式測量工作，數據信息的采集速度非常快，能有效縮短測量任務完成的時間。其二，分辨率與精度高是指系統能同時掃描多個點位，快速獲取所需的數據信息，并對被測對象的造型結構、表面情況等進行精準評估，分辨率能達到2 mm～3 mm。與此同時，在實際的工程測量過程中，激光掃描系統擁有數據平差改正的功能，能優化處理各項數據信息，盡可能減少誤差[2]。

2 地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用分析

2.1 數據采集和處理

眾所周知，在開展工程測量相關作業的過程中，通過對三維式激光掃描技術的合理應用，不僅能采集諸多的外業數據，還能有效處理內業數據。其中，外業數據的采集內容主要包括數據掃描、平面與高程控制測量等;內業數據的處理則主要包括數據拼接、點云數據配準以及標靶三維坐標測量等。對于數據采集處理工作來說，由于受到諸多客觀環境的影響，要想提高數據測量的準確度，就需要掃描獲取更多的點位信息，這樣才能全面、準確掌握被測對象的整體情況[3]。

然而在傳統的工程測量環節中，采集到的點位數據拼接存在問題，難以將大量數據整合到一起形成一個整體。為了解決上述問題，可以使用三維激光掃描的方式，準確獲取標靶信息，并在標靶的中心區域內完成兩個站點數據的拼接工作。與此同時，將激光掃描儀當做坐標原點、采集點當做局部坐標，這樣就能將采集到的所有點云數據放置在同一個平面坐標系中，便于導入相應的計算公式來獲得站點坐標。

除此之外，測量人員可以依次進行平面、高程的控制測量工作，對標靶所在的三維坐標實行激光掃描，準確找到標靶的中心部位，并得到標靶的高度信息，充分落實數據抽樣工作，掌握相關的規律，保證所選數據的參考價值，這樣不僅能有效減少數據處理的工作量，還能提高工程測量的精度和效率。最后，需要將測量的數據導進相關軟件，對其進行平差改正和處理。

2.2 測量繪制地形圖

要想借助三維掃描技術來完成地形圖的測量與繪制工作，那么就需要對被測點位實行激光掃描，分析和處理所獲得的云數據，將那些無用數據剔除，這樣才能更好的從余下數據中提取出被測對象的特征點，并對數據展開有效的編輯處理，從而繪制出準確的地形圖。在實際測量繪制地形圖的過程中，三維掃描技術的應用能降低地形地貌給測量精度和作業效率所帶來的不利影響，能在提高測量結果準確度的基礎上，快速掃描測量那些特殊區域的地形地貌，如懸崖、斷壁等[4]。其中，地形圖的測量繪制工作可以細化成以下幾個部分：

第一，地物提取。在開展地形圖測量繪制相關作業之前，測量人員可以借助激光掃描儀來采集被測范圍內的地物特征點和點云數據，并將采樣數據導入特定軟件中進行處理，獲取具有良好參考意義的地物特征數據信息。同時，要采用合理的方式來將地物數據輸出到測圖軟件中繪制地物平面圖，并構建出相應的三維模型。

第二，形成等高線，在正式的工程測量過程中，地面所分布的一些植物抑或是建筑物將會給測量效果帶來巨大影響，難以獲取到準確的地面等高線、地貌數據等信息。由此可見，需要相關人員根據項目的實際情況，合理使用平均面迭代等方法剔除采集數據中那些平均面距離較遠、非地貌等點云數據，并重復迭代計算平均面，保證地貌數據的真實性和準確性。

第三，編輯成圖。眾所周知，在編輯成圖的過程中，要考慮到剔除處理后剩下的點云數據存在分布不勻、局部密度小等特征，會在一定程度上影響到等值線的效果。所以，要對數據進行自動抽析，將處理好的點云數據導入到測圖軟件中，這樣能快速形成等高線，實現全面、客觀反映測區地貌的目標。與此同時，在實際應用三維掃描技術時，需要同時運行多個軟件，因為單一的軟件功能比較小，在導入導出各種點云數據和處理結果環節中需要耗費大量時間和精力，甚至還會存在數據丟失、無法讀取的問題。由此觀之，建筑企業可以研發出同時擁有數據采集和處理、編輯成圖等功能的工程測量平臺，這樣能有效提高工程測量的成效。

2.3 土方量計算

以往在進行工程測量時，使用得最多的設備主要包括全站儀、水準儀等，由相關測量人員在野外開展測量工作，獲取測區內各處地物散點的三維坐標，這種作業方式不僅無法提高工作效率，還不能保證測量的精度，無法客觀反映出測區的地表情況，難以準確計算出土方量數值。而通過合理應用三維掃描技術，能簡化野外測量流程、減少工作量，在確保測量精度滿足相關標準的基礎上，快速完成測量任務，為后續土方量的計算提供數據參考。其中，土方量的計算過程如下：

第一，基準面的構建。在完成測區內點云數據的采集工作后，還要對其進行合理的分析和處理，并將處理結果傳入到相應的坐標系內，其中點云數據的轉換精度以控制點與數據拼接的精度要求為準。工作人員要基于已知的測區邊界與設計高程等信息，將基準面確定為固定化的高程平面，能準確切取各點云數據[5]。

第二，地物剔除。在使用三維掃描技術來開展工程測量工作時，很容易受地表各障礙物的影響，使采集到的點云數據中含有少量非地貌數據，若是沒有采取有效措施將這類數據剔除，那么將會給土方量計算的準確性帶來不利影響，這種情況下，相關人員就可以采用平均面迭代的方法，有效剔除掉點云數據中存在的非地貌數據。當然，如果測區范圍內的植被、障礙物的分布較少，采集到的非地貌數據量不大，不會給土方量的計算結果產生較大影響，那么就可以簡化地物剔除操作，直接進入下一階段。

第三，DEM生成。在操作人員將非地貌數據剔除或者非地貌數據量較小的情況下，可以使用相關軟件來構建三維數字高程信息與不規則三角網TIN模型。然后將基準面和高程信息模型做減法，計算出體積，從而獲得測區土方的開挖量和回填量。

2.4 三維建模

在新時代發展的大背景下，操作人員可以應用三維掃描技術采集所需的點云數據，并在此基礎上構建出配套的三維信息模型，創設出范圍和尺寸合適的擬真場景，整個模型主要由諸多彩色三角網組成，而三角網面則由尺寸相同的分模塊組成。與此同時，要對三維模型實行糾正縮放、邊緣處理以及模型面片遮擋等操作，這樣才能保證所構建的某型更加真實、規則。除此之外，操作人員要按照工程測量要求來選擇精細化的三維建模方式，比如3dsmax建模、點云三角網建模等。其中，在使用前者進行三維建模時，要在獲取準確點云數據的前提下，借助相關軟件繪制比較規則的剖面，并將若干破面整合起來構建成規則模型;在使用后者進行三維建模時，需要根據實際的建模精度要求來確定點云數據的密度，保證三角網能在軟件中獨立運行，并在相應的三角網數據中融入充足的紋理信息。

2.5 工程竣工測量

在進行工程竣工驗收的過程中，使用三維掃描技術能更好的測繪構筑物高程。比如，在開展道路工程測量工作時，使用此項技術能快速繪制出道路的縱橫斷圖和樣圖，具體的測量步驟如下：基于點云數據的處理結果來完成坐標系的轉化工作，從中獲取有效的三維坐標信息，并在軟件內生成相應的等高線，從而準確繪制出道路的縱橫斷圖和樣圖。

3 結束語

綜上所述，對于工程施工而言，工程測量是其中必不可少的一項內容，借助三維激光掃描技術來完成地面工程的測量工作，不僅能自動獲取相應的地面數據，還能構建出三維立體式迷行，更好的滿足建筑工程實景復刻要求，這樣既提高了建筑、交通等大型工程的測量質量和效率，還在很大程度上減少了測量成本的投入，降低了工作的強度，促進了整個建筑行業的健康、穩定性發展。

參考文獻：

[1]卓啟發.地面三維激光掃描技術在工程測量實踐中的應用[J].建筑工程技術與設計，2018（29）：504.

[2]馬星艷.三維激光掃描技術在地質測繪和工程測量中的綜合應用探討[J].中國房地產業，2020（11）：289.

[3]王鵬飛.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用研究[J].數碼世界，2018（5）：375-376.

[4]吳鵬，胡海峰，張鵬飛.談地面三維激光掃描技術在道路工程測繪中的應用[J].低碳地產，2016（9）：312.

[5]霍文強.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].科技視界，2018（30）：228-229+237.