地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用

張 利

（南充職業技術學院，四川 南充 637000）

0 前言

科學技術的不斷發展，提高了工程測量時測量精度的要求，但傳統測量技術的使用僅可以對工程局部點位進行單點測量，且作業效率低、精度上需要反復校正。地面三維激光掃描技術能夠彌補傳統測量技術存在的不足，不僅可以同時對多個部位開展掃描作業，還極大程度地提高了的掃描效率，又能保證工程測量的精準度。

1 地面三維激光掃描技術分類及原理

以測量方式對三維激光掃描技術進行分類，可以分為2 種即移動式、固定式激光掃描技術，后者在工程測量中的使用率更高，二者之間的差別在于固定式激光掃描技術通過收集點云數據進行工程測量，具有較高的精確度，收集速度也較快，同時，實際操作時，不需要復雜的操作方法，而移動式三維激光掃描技術一般以車載平臺為載體，使用效率更低。

地面三維激光掃描技術的作業原理是借助激光對距離進行測量（如圖1 所示），當其在工作時，便會不斷收集并處理數據，配合激光的使用，測得掃描反射接收的激光強度，并為其匹配顏色灰度。該種測量技術所使用的掃描儀是以工程內部為坐標原點，實現對目標的掃描，通常來說，將X軸視為水平面，而Y軸為掃描方向、Z軸為垂直方向，便可以得到某測量點的坐標[1]。

圖1 三維激光掃描技術測量原理

坐標的計算公式如下。

式中：S—原點到被測點的距離。θ—掃描儀測得豎直掃描角度。α—掃描儀測得的水平掃描角度。

2 地面三維激光掃描技術的應用優勢

2.1 直觀性較強

掃描技術能夠同GPS 技術一起使用，并以空間三維坐標完成測量數據的收集與運算，依托于點云數據的收集功能，定位各點的具體位置，以此為基礎，直觀地將空間模型展示出來。傳統工程測量技術獲取的點位密度低、地形特征表示不明顯，難以實現空間建模。但三維激光掃描技術能夠準確且完整地收集空間三維數據，并在空間中進一步向周圍延伸，為測量人員提供更為直觀的視覺效果。

2.2 數據采集效率高

數據采集效率高是掃描技術的另一個優勢，該類測量技術可以采集云數據，在收集過程中，其速度可以達到每秒幾千甚至是幾萬點，這一優勢是傳統測量技術無法比擬的。數據測量是工程測量作業中最為關鍵且重要的一項測量環節，而數據的準確性直接決定了工程后期的測量與施工，通過應用三維激光掃描技術能夠減少測量誤差，同時還能實現數據的全面采集，以保證每個測量點都是在大量數據運算后得到的，既保證了測量結果的精準性與全面性，還極大程度地提高了數據采集的效率[2]。

2.3 分辨率和精準度較高

地面三維激光掃描技術能夠以最快的速度采集三維數據，還可以達到非接觸數據收集的目的，具有較高的分辨率，這一優勢的存在為數據的精確性提供保障。三維激光掃描技術可以還原物體，并在激光掃描的作用下精準定位到測量點，借助各點將物體的位置進行構建與還原，由此可見，該項測量技術的分辨率較高。此外，三維激光掃描技術為非接觸式掃描，相對于傳統測量技術而言，掃描結果更精準，且激光掃描的密度越高，其分辨率的精準度越高。

3 地面三維激光掃描技術在工程測量中的實際應用

3.1 工程概況

在工程測量中應用三維激光掃描技術，能夠高效地處理傳統測量技術在測量工作時無法解決的難題，例如測繪陡峭、破碎地形時，應用掃描技術可以在不接觸的情況下對地形進行測量，以此降低測量難度，為測量作業人員的作業安全提供保障。

以某工程為例，受地震以及強降雨的影響，該工程所處的位置局部區域出現了崩塌，且還遭受泥石流災害，當地居民的房屋嚴重受損?；诖?，借助三維激光掃描技術對當地發生泥石流區域的地形進行測繪，以深入探查工程內部實際情況。

該測繪工程的寬度約為80m，位于山谷中，兩邊山壁高度約為400m，經初步測量，其平均坡度約為80°。沿道路一方的山壁上有零星碎石滾落，測量環境十分險惡，常規的GPS-RTK 以及全站儀均無法達到工程安全測量要求。

3.2 前期測繪準備

測繪設備主要包括FARO 三維激光掃描儀X330，該儀器能夠在陽光直射下掃描最遠距離為330 m 的物體，每1mm 的測距精度為25 處；視場角為360°×300°；1 臺全站儀，6 個掃描參考標靶球，以及若干個標靶紙。

將所使用的掃描儀的分辨率參數設置為1/4，質量參數為4 倍，對工程進行全景掃描并拍照，在測量任意一站時，測量時間均需控制在12min 左右，因該工程處于山谷中，山谷總長度為600m，因此分為3 段開展掃描工作。

掃描進行過程中，須同時借助全站儀對參考標靶坐標進行測量，并將其作為點云坐標和目標坐標系二者之間轉換的依據。對數據拼接進行掃描，完成各坐標的轉換以及點云過濾，將所測得數據完整導出，便于后續地形圖測繪、土方量計算等測量工作的有序實施[3]。

3.3 地形圖測繪

因該工程所處的地理環境較為惡劣，且地形較為復雜，位于斷裂帶，傳統的測量技術及方法無法開展測量工作，且得到的測量數據不具備精準性，對此，該工程選用固定式三維激光掃描技術開展地形測繪工作。測繪大體流程如下：對點云數據進行科學處理，在此基礎上，總結出相關要素的特征點，編輯所獲得的特征點，實現地形圖的構建。具體流程如下。

首先，提取并繪制特征點，提取工作是將路面上存在的特殊物體進行提取，在該過程中，須應用到三維激光掃描技術自身具備的數據處理功能，以人工的方式提取山谷中較高部位的位置，如山壁中心或偏下方，緊接著在收集到的特征點上安裝相關的格式完成數據傳輸，這一環節的目的是將特征點體現在大比例尺數字測繪軟件中，通過對軟件所呈現的內容進行觀察與分析，實現對地物的測繪。

其次，生成等高線，完成地物測繪工作時，受山谷中地物以及植被的影響，無法保證測繪結果的準確性，對此，在實際測繪工作開展前，須清除植被、地物的點云數據，開展清除工作時，盡可能做到人工與自動化相結合，以此進一步提高測量數據的精確度，同時，應用平均面迭代法完成數據的去除工作，主要操作流程如下：刪除路面上極為明顯的非地貌數據，對一些用肉眼無法觀察到的數據如小型石子，便須應用到平均面迭代法，計算所有數據的平均面，并刪除與該平面相距較遠的數據，但需注意的是，不對所有非地貌數據進行刪除，只有在對其進行5～6次迭代后，才可以開展剩余數據刪除工作，以保證地貌數據獲取的精準性。但在實際測繪中，會存在點位分布不均且點位密度大的問題，嚴重影響了等高線的整體效果，對此，工程的測繪人員對點云數據進行處理，并采用自動抽稀的方式，使各測繪數據達到地形測繪的要求。緊接著再將相關數據傳輸至軟件中，實現等高線的自動生成（如圖2 所示）。運用掃描技術得到的等高線可以更為直觀地將其中內容表現出來，還能夠大幅度提升數據等高線位置的精確度與可靠度，同時還能將地形的實際情況準確地反映出來。

圖2 等高線地形圖

最后，編輯成圖，按照上述操作開展測繪工作時，獲得的等高線極易出現局部缺失、不光滑等問題，因此，該工程的測繪人員又進行了編輯成圖的處理，原理是疊加等高線測繪圖以及地物圖形，通過全面觀察得出二者存在的差異性與不足，在此基礎上，對相關數據進行適當地調整與編輯，并在測繪圖紙中做好相應的標記。

3.4 土方量計算

傳統土方量計算時，通常使用水準儀、全站儀等測量儀器，由測繪人員逐點測繪地物特征點三維坐標，依托于坐標系，建立TIN 得到土方，但采用該種方式獲取土方量存在較多的缺陷，不僅增加了外業測量的工作量，還需要內業大量地計算，同時特征點的選擇是否合理也將影響了測量結果的精度。因此，該工程對測量與計算方式進一步優化，即應用地面三維激光掃描技術，以最快的速度收集數據，緊接著完成三維坐標的測繪工作，最終準確地得到土方量。主要操作流程如下。

首先，建立基準面，對點云數據進行處理后，應用最小二乘法將處理過后的點云數據反映到該工程最初建設的實地坐標系上，開展挖填土方計算工作前，測量人員先完成下述幾項工作即設計高程、掃描點云、在邊界建立起算基準面。因該工程地形的復雜性，須結合現場實際情況，確定高程的具體位置，再將其平面作為基準面。

其次，剔除地物，基準面中存在影響測量結果的點云數據，須細致分析后全部剔除，這一工作環節與該工程地形圖測繪中非地貌數據剔除較為相似，但在開展該項工作前，盡可能去除周邊植被，因工程位于常發生山體滑坡的山谷中，因此植被的數量并不多，針對這一區間，可以直接對土方量進行計算；但仍有部分區域如山壁腳下存在較多的植被，對該區域，須先過濾植被，再應用平面迭代法完成土方量的計算。

最后，生成DEM 并完成土方量計算，完成影響測繪數據的地物剔除后，便可以整合剩余的點云數據，構建不規則三維網TIN，這時就可以生成高精度數字高程模型，再將得到的模型同基準面作差，以此準確得出填挖土方量[4]。

3.5 道路竣工測量

道路測量是工程測量過程中最為基礎的內容，實際道路測量中，主要包括道路縱橫斷面測量及完成道路竣工測量繪制道路樣本圖。傳統的測量技術無法滿足該工程復雜的道路結構，且獲得的測量數據也不具有參考價值，甚至會嚴重影響后續三維模型的建立。因此，測量人員在該工程中應用了地面三維激光掃描技術，直接利用激光對道路的橫斷面以及地形地貌進行掃描，不僅大幅度地提升了測量效率，還極大程度地保證了測繪結果的精準度。此外，該項技術具體實現較為簡單，僅涉及3 個環節：其一，轉換坐標系，其二，提取特征點的三維坐標，以達到自動生成等高線的目的，其三，完成道路橫縱斷面以及樣圖的繪制[5]。

3.6 建立三維模型

該工程周邊存在較多房屋，且有居民居住，盡管受泥石流、地震等自然災害的影響，但仍有大部分的居民選擇繼續在該地居住，還有部分居民受經濟、身體因素等限制，而不得不在此居住，為工程測量工作的展開增大了難度?；诖?，選用地面三維激光掃描技術開展該工程的測量作業，并在技術的支持下，搭建精細化的三維模型，以保證即使在不接觸當地房屋的情況下，也可以獲取相關的數據，為三維模型的建立提供數據支持，對房屋的各細節特征進行測繪，以此確保房屋在測量作業時不受破壞。將該技術應用于該工程三維建模工作中的具體流程如下：1）建模，處理點云數據，利用三維激光掃描技術開展建模的方式有2 種，其一，借助點云建立三維網模型，其二，依托于點云數據，利用3DMAX 繪圖軟件完成建模。使用前者開展建模作業時，須全面分析點云數據的疏密程度，并保證三角網的數量具有較多的紋理信息，而后者的技術實現原理是應用點云數據，對規則形體的剖面進行繪制，但需達到工程測量對精度的要求。2）紋理映射，該環節開展的目的是增強三維模型的真實感，確保所繪模型與房屋實際構造相一致。映射原理是利用掃描儀上的數碼相機獲得紋理相關信息，以達到紋理映射的目的。

對該工程而言，在構建三維模型時，因各房屋的位置、布置方式等均不同，因此實際建模時，針對周邊情況，設計了2 種建模方式：1）精細化三維建模，利用掃描技術獲取大量的影像數據以及三維點云數據，合理應用所測數據構建房屋的三維模型，還可以獲取到某房屋中小范圍的三維真實尺寸場景，但這時的模型無法達到觀看效果，因此，須應用到紋理映射為三角網面片注入色彩，在處理其邊緣，整合多個三角網面為一個模型，以此獲得房屋真實尺寸彩色三維模型。精細化三維模型的建立，能夠大幅度提高測繪結果的準確性，還可以將房屋的實際情況直觀地反映出來，實現對不同距離以及凹凸紋理的精細化測量。2）復雜設備建模，該工程在實際測量過程中，因房屋以及周邊設備管線的不合理布設，增大了測量難度，因此，開展測量工作前，先對各管線進行重新布局與規劃，為了使該項工程不影響當地居民的用電需求，便應用到了地面三維激光掃描技術，將管線排布方式構建成3D 模型，通過模型的構建，不僅提高了工程測量前期準備工作的效率，為后續工程有序測量提供保障，還使工程周邊房屋以及各管線排布可視化，為設備管線的重現規劃與改造提供精確化的模型依據。

4 結論

與傳統測量技術相比，三維激光掃描技術具有高分辨率、高精確度等測量優勢，能夠高效地完成地形圖繪制、土方量計算等測量項目，還可以借助三維軟件，針對待測量對象構建三維模型，實現了對傳統測量技術的有效補充，可以實現非接觸式測量，適用于復雜地形的高精度測量，從根本上提高了工程測量的效率和精度。同時，三維激光掃描技術也在其他很多領域有不同的應用，而且三維激光掃描技術也在不斷研發與創新中，必將獲得更為廣闊的應用前景。