三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測(cè)量中的運(yùn)用分析

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 山東濟(jì)南 250014

三維激光掃描技術(shù)的引入是在原有GPS 空間定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上的技術(shù)突破。它直接打破了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，直接解決了激光掃描的形式，可以進(jìn)行大范圍高分辨率的掃描，形成物標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[1]。近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在工程、地質(zhì)地貌調(diào)查、建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)、斷面體積測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。過(guò)去常用的topographic 和USGS 制圖方法主要是CPS-RTK 制圖和數(shù)字?jǐn)z影，但這些方法通常需要相當(dāng)大的努力，而且往往位于陡峭、往往非常脆弱的地形。

1 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)及原理分析

三維激光掃描儀的種類(lèi)很多，可分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)。以在日常測(cè)量中廣泛應(yīng)用的地面三維激光掃描系統(tǒng)為例，實(shí)際工作如下:三維激光掃描系統(tǒng)以脈沖發(fā)射器為基礎(chǔ)，將脈沖信號(hào)傳輸?shù)轿矬w表面。此時(shí)，物體表面經(jīng)過(guò)脈沖信號(hào)的漫反射，脈沖信號(hào)以同一路徑返回到信號(hào)接收器，從而完成了目標(biāo)點(diǎn)到掃描器距離的精確計(jì)算。此外，利用精密時(shí)鐘編碼器可以測(cè)量和計(jì)算每個(gè)激光脈沖的橫向和縱向掃描角。三維激光掃描的過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重構(gòu)、模型可視化和輸出。數(shù)據(jù)采集的功能是為模型重建提供準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而降低模型重建的復(fù)雜性，提高模型數(shù)據(jù)預(yù)處理的精度和速度，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波是一個(gè)重要的過(guò)程[1]。

1.1 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用有效地打破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，與傳統(tǒng)方法相比，具有精度高、效率高的明顯優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的應(yīng)用可以充分提供被掃描物體表面的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，甚至可以通過(guò)三維激光掃描技術(shù)直接采集高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型。三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)主要總結(jié)為三維掃描和快速掃描的實(shí)現(xiàn):

（1）三維掃描。在過(guò)去傳統(tǒng)的地形測(cè)量概念中，最終輸出的數(shù)據(jù)通常表示為二維結(jié)果。在測(cè)量、全站儀和GPS 測(cè)量方面，測(cè)量數(shù)據(jù)都是二維的。隨著三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，測(cè)量數(shù)據(jù)范圍非常大，如RGB 顏色信息、XYZ 點(diǎn)信息，甚至物體的反色比信息都可以測(cè)量，這是傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法做到的。

（2）快速掃描是掃描儀引入后形成的概念。一般來(lái)說(shuō)，快速掃描的測(cè)量速度可以直接達(dá)到每秒1000 點(diǎn)，但是如果使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法，會(huì)浪費(fèi)2-5 秒。三維激光掃描技術(shù)的引入有效地改善了這一狀況，大大提高了工作質(zhì)量和效率。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的原理分析

在使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)光直接測(cè)量物體表面的三維坐標(biāo)，從而提取和重構(gòu)三維場(chǎng)景[2]。綜合集成的三維激光掃描系統(tǒng)必須具備激光測(cè)距系統(tǒng)、高精度動(dòng)態(tài)差動(dòng)定位系統(tǒng)和高精度動(dòng)態(tài)載波測(cè)量系統(tǒng)。最好是傳輸激光脈沖管的脈沖信號(hào)，然后傳送脈沖信號(hào)通過(guò)旋轉(zhuǎn)棱鏡，相應(yīng)的目標(biāo)，然后與探測(cè)器接收反射的激光信號(hào)，生成詳細(xì)的信號(hào)通過(guò)記錄儀記錄，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息的形式。需要測(cè)繪人員通過(guò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行識(shí)別，最后通過(guò)軟件處理實(shí)現(xiàn)建模輸出。

2 應(yīng)用問(wèn)題

三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題。如果用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)不能滿足三維激光掃描技術(shù)的要求，勢(shì)必會(huì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量和計(jì)算的效率。因此，為了有效提高三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用效率，必須采取積極有效的措施，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的硬件配置，避免最終的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，使測(cè)量工作順利進(jìn)行。此外，在三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，地表植被的存在會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中不能及時(shí)解決這一問(wèn)題，不僅會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，也會(huì)影響圖像測(cè)量的精度。在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量技術(shù)人員所采用的操作方法也是影響測(cè)量數(shù)據(jù)完整性的關(guān)鍵因素。如果操作者的操作能力不能滿足三維激光掃描儀的技術(shù)要求，低質(zhì)量地形數(shù)據(jù)的測(cè)量精度和精度都會(huì)受到影響[3]。

3 三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)的采集

測(cè)量地形和地質(zhì)條件使用3d 激光掃描技術(shù)，首先，我們需要收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，首先，我們需要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試區(qū)域調(diào)查的環(huán)境，這樣我們就可以確定掃描儀的位置，目標(biāo)和站點(diǎn)的數(shù)量。同時(shí)，它是必要的，以確保最終的數(shù)據(jù)獲得的每個(gè)掃描站才能真正反映整個(gè)區(qū)域的測(cè)量范圍，和相應(yīng)的電臺(tái)數(shù)量應(yīng)該盡量減少在測(cè)量過(guò)程中，以減少原始數(shù)據(jù)。另外，紋理數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要同步獲取，便于未來(lái)數(shù)據(jù)的匹配，需要根據(jù)不同的尺度要求選擇合適的采樣精度，需要逐站掃描。

3.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法包括點(diǎn)云匹配、消噪、分割、坐標(biāo)和圖像匹配。通過(guò)多點(diǎn)掃描，可以得到正確匹配的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而有效統(tǒng)一坐標(biāo)系，便于對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行定量建模和分析。在匹配過(guò)程中主要有兩種方法：

（1）直接匹配相同規(guī)則形狀的被掃描對(duì)象的公共點(diǎn)坐標(biāo)，并將多個(gè)位置的點(diǎn)云統(tǒng)一到一個(gè)特定的坐標(biāo)系統(tǒng)中。

（2）結(jié)合GPS 測(cè)得的精確站位坐標(biāo)，直接將所有點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為固定的經(jīng)緯度。這樣可以有效地獲取點(diǎn)云的真實(shí)位置，為后期的分析和其他遙感數(shù)據(jù)的分析提供了便利。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，三維激光掃描技術(shù)本身就具有精度高、效率高、掃描精度好的特點(diǎn)。將其應(yīng)用到地形測(cè)繪中，可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短工作時(shí)間，有效提高整個(gè)測(cè)繪工作的效率，最終達(dá)到滿意的效果。三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪工作的有效補(bǔ)充。