三維激光掃描技術(shù)在分方測(cè)量中的應(yīng)用研究

歐斌，黃承亮

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體信息快速地轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是人類的夢(mèng)想。科技的創(chuàng)新、不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)給人們的生產(chǎn)、生活帶來了巨大的變化，同時(shí)也為空間數(shù)據(jù)獲取提供了各種各樣的新方法和新手段，推動(dòng)三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)就是這個(gè)信息時(shí)代的產(chǎn)物。利用該技術(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要是由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標(biāo)就是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以便對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)處理。

三維激光掃描技術(shù)作為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，可以應(yīng)用于工程測(cè)量、地形測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬可視化、礦區(qū)土方開挖斷面和體積測(cè)量、工業(yè)制造、變形測(cè)量、加工檢測(cè)、施工監(jiān)測(cè)、事故調(diào)查、歷史古跡的調(diào)查與恢復(fù)以及特殊動(dòng)畫效果的測(cè)量等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

分方測(cè)量是工程測(cè)量的主要組成部分之一，分方測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果對(duì)施工預(yù)算和造價(jià)都有直接的影響。傳統(tǒng)的分方測(cè)量方法是采用全站儀進(jìn)行逐點(diǎn)采集，這種方法耗費(fèi)時(shí)間多，人力多，并且采集數(shù)據(jù)間隔大，不均勻，有時(shí)無法真實(shí)反映其實(shí)際方量情況。因此，本文引進(jìn)三維激光掃描技術(shù)對(duì)分方測(cè)量進(jìn)行應(yīng)用研究。

2 分方測(cè)量應(yīng)用研究方案

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法在分方測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)有:

(1)測(cè)量速度快、效率高，最高達(dá) 300 000點(diǎn)/秒;

(2)測(cè)量密度高、測(cè)量精度高，最小的可以采用2 mm采樣間隔掃描，最高可達(dá)到 5 mm的點(diǎn)位精度。

(3)采用完全非接觸的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描測(cè)量，可以解決危險(xiǎn)領(lǐng)域的測(cè)量，需要保護(hù)對(duì)象的測(cè)量以及人員不可到達(dá)位置的測(cè)量等工作。

(4)測(cè)量范圍廣，可以進(jìn)行掃描視場(chǎng)角為360°×100°的掃描，最遠(yuǎn)可以達(dá)到 1 400 m的掃描距離。

本次應(yīng)用研究與生產(chǎn)相結(jié)合，選擇了一個(gè)需要進(jìn)行分方測(cè)量的工程進(jìn)行，在該工程范圍內(nèi)基本為空曠區(qū)，少部分地方有植被覆蓋，作業(yè)時(shí)，首先應(yīng)用GPSRTK技術(shù)在工程區(qū)域內(nèi)，布設(shè)并測(cè)量了若干個(gè)控制點(diǎn)。選擇RIEGL VZ－1000激光掃描儀對(duì)該區(qū)域進(jìn)行掃描。掃描時(shí)，把儀器依次架設(shè)在每個(gè)控制點(diǎn)上，進(jìn)行全圓360°的掃描，掃描間隔設(shè)置為 100 m處 0.03 m的間距，并保證每站掃描數(shù)據(jù)之間有30%的重疊區(qū)域。最終一共進(jìn)行了7站掃描，共花費(fèi)時(shí)間為 4 h，掃描范圍為 0.8 km2。

同時(shí)在工程范圍內(nèi)選取部分區(qū)域采用全站儀進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，其目的是與激光掃描采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量時(shí)把全站儀架設(shè)在相同的控制點(diǎn)上，進(jìn)行對(duì)中整平，后視定向，采用 8 m～10 m點(diǎn)間隔進(jìn)行高程采樣，整個(gè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集花費(fèi)了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組日，共采集0.2 km2數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先對(duì)7站數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，拼接時(shí)依次在每站掃描數(shù)據(jù)中輸入設(shè)站點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)，由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)保證了每站掃描數(shù)據(jù)之間有30%的重疊區(qū)域，通過對(duì)處理軟件的參數(shù)及處理方法設(shè)置，軟件進(jìn)行自動(dòng)拼接，拼接之后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 拼接后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 剔除植被前點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 剔除植被后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

由于工程范圍內(nèi)，有部分地表被植被覆蓋，因此為了得到真實(shí)的地表數(shù)據(jù)，需要對(duì)植被進(jìn)行剔除，如圖2所示。運(yùn)用RISCAN PRO的植被剔除功能，采用一定間隔范圍內(nèi)保留最低高程點(diǎn)的方法，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到剔除植被后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。通過剔除植被前后數(shù)據(jù)的比較，可以清晰發(fā)現(xiàn)地表的樹木等植被被剔除干凈，得到了符合真實(shí)情況的地表數(shù)據(jù)，同時(shí)說明RISCAN PRO軟件剔除植被的效果比較明顯。

由于掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)間隔小，數(shù)據(jù)量大，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，得到適合方量計(jì)算的有效數(shù)據(jù)。因此對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，得到以 0.3 m間隔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，作為方量計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入清華山維圖形處理軟件，如圖4，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三角網(wǎng)圖，然后再提取 10 m×10 m格網(wǎng)，最后運(yùn)用其方量計(jì)算功能，根據(jù)設(shè)計(jì)高程進(jìn)行方量計(jì)算。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

同時(shí)把全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入清華山維圖形處理軟件與掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為區(qū)分點(diǎn)位，圖中采用燈桿符號(hào)表示全站儀采集數(shù)據(jù)，標(biāo)注其高程，選取其周邊最近點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)注高程進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)量數(shù)據(jù)的高程誤差基本在 2 cm～3 cm之間，兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量相同，都能滿足分方測(cè)量的要求，說明三維激光掃描技術(shù)在分方測(cè)量方面的應(yīng)用是可行的，同時(shí)三維激光掃描測(cè)量方法的測(cè)量速度，數(shù)據(jù)處理效率都遠(yuǎn)高于常規(guī)測(cè)量方法，因此三維激光掃描技術(shù)在分方測(cè)量方面有更大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀采集數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語(yǔ)

本次針對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)在分方測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合測(cè)試，提出了該技術(shù)在分方測(cè)量中的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理方法，并與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測(cè)量方法進(jìn)行了比較，說明三維激光掃描技術(shù)在分方測(cè)量中應(yīng)用的可行性。

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