三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用分析

張忠軒

摘 要：三維激光掃描技術(shù)也被人稱為實景復(fù)制技術(shù)，它作為立體掃描技術(shù)，可以全自動來獲得數(shù)據(jù)，并且精度也比較的高，因此十分的先進(jìn)，但是在地形測量中應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)還存在著一些問題，比如存在死角或者數(shù)據(jù)破損等等，這樣就會影響到下一步工作的進(jìn)行，因此就需要引起人們足夠的重視。本文對三維激光掃描的基本理論做了簡單的介紹，然后具體分析了三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用分析，希望可以提供一些有價值的參考意見。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描系統(tǒng)；地形測量；應(yīng)用分析

三維激光掃描技術(shù)革新了測繪技術(shù)，它在很大程度上促進(jìn)了測繪數(shù)據(jù)獲取方法、處理方法以及服務(wù)能力和水平的發(fā)展。點云數(shù)據(jù)指的是采用三維激光掃描得來的一些數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)主要是結(jié)合了大量的掃描離散點。三維激光掃描具有較好的實時性、主動性和適應(yīng)性，因此就可以在簡單的處理之后，直接使用三維激光掃描數(shù)據(jù)，這樣就可以省去很多的時間和精力；采用三維激光掃描不需要接觸到被測物體，可以直接應(yīng)用在很多的復(fù)雜環(huán)境中；如果想要發(fā)揮出更多和更強的效能，就可以有機的結(jié)合GPS等先進(jìn)的技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，必將會應(yīng)用到更多更廣泛的領(lǐng)域之內(nèi)。本文為了能夠?qū)⑷S激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用更加便捷的顯現(xiàn)出來，采用了點云數(shù)據(jù)處理軟件，并且討論了可能出現(xiàn)在測量中一些問題。

1 三維激光掃描系統(tǒng)

在通常情況下，可以將三維激光掃描儀分為這幾種：機載激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)以及地面型激光掃描系統(tǒng)等等，這種劃分的依據(jù)是掃面平臺的不同。本次選用的是地面型三維激光掃描系統(tǒng)來進(jìn)行地形測量，地面型三維激光掃描系統(tǒng)包括著很多個方面的部分，比如三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、軟件控制平臺、電源、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺等等。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如下：三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)射器可以將一個激光脈沖信號發(fā)射出去，然后物體的表面會對這個激光脈沖信號進(jìn)行一個漫反射作用，然后這些脈沖信號會沿著同樣的路徑返回到接收器中，那么就可以對目標(biāo)點和掃描儀之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。同時，每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值由精密時鐘控制編碼器來進(jìn)行測量；三維激光掃描測量采用的坐標(biāo)系往往是儀器自定義的，橫向掃描面內(nèi)有X和Y軸，兩者是互相垂直的關(guān)系，z軸垂直于橫向掃描面，如下圖所以，依據(jù)這個圖例，就可以將目標(biāo)點的坐標(biāo)求出來。

那么對激光脈沖從發(fā)出到接收之間的時間延遲進(jìn)行檢查，就可以得出公式1中的距離。得出了發(fā)射脈沖往返的時間間隔，就可以有效的計算出目標(biāo)點和掃描儀之間的距離：S=1/2CtL。C指的是光速。

2 電云數(shù)據(jù)處理

從上文我們已將了解到，點云數(shù)據(jù)指的就是三維激光掃描系統(tǒng)所采集來的數(shù)據(jù)，在對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，一般分為這幾個方面的內(nèi)容：去除噪聲、多視對齊、精簡數(shù)據(jù)以及重構(gòu)畫面等。

去除噪聲指的是將點云數(shù)據(jù)中可能存在的錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除；比如，在對地形進(jìn)行掃描的時候，掃描儀會采集到一些不需要的數(shù)據(jù)，比如飛速前進(jìn)的車輛、行人以及高大的樹木等等；這些沒有用處的數(shù)據(jù)是需要被刪除的。

點云的精簡數(shù)據(jù)指的是因為點云往往十分的龐大，這樣就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的精簡工作，需要特別注意的時候，精簡的時候不能夠影響到畫面的重構(gòu)，并且還不能影響到基本的精度要求；一般可以采取兩種方法來進(jìn)行精簡數(shù)據(jù)，一種是平均精簡，指的是將原來的點云設(shè)置為n個小組，然后每一個小組中留下一個；另一種方法是按距離精簡，指的是對一些點進(jìn)行刪除，刪除的目的是為了讓點云中點與點之間的距離不小于某值。

曲面重構(gòu)的目的是為了將掃描目標(biāo)的本來面目給真實的還原出來，要想實現(xiàn)這個目的，在還原掃描目標(biāo)的本來面目時，可以有效的采用掃描數(shù)據(jù)。通?？梢詫⑶娣譃閹讉€種類，三角形網(wǎng)格、細(xì)分畫面、明確的函數(shù)表示、參數(shù)曲面、暗含的函數(shù)表示、曲化的面片等等。

采用了掃描出來的數(shù)據(jù)來重構(gòu)曲面之后，就可以進(jìn)行三維建模的規(guī)則，從而將掃描目標(biāo)的本來面目給還原出來?；就瓿闪它c云數(shù)據(jù)處理步驟之后，在解決問題的時候就可以充分的利用點云數(shù)據(jù)來進(jìn)行。

3 相關(guān)問題討論

提高精度的一種方法：在通常情況下，多視對齊的精度在很大程度上決定著三維掃描的精度；在掃描的時候可以采用不同的位置來進(jìn)行，并且站在多個視角上進(jìn)行考慮，并且要按照大于等于百分之十的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置相連區(qū)域的重疊度；如果采用的是POLY WORKS軟件，那么要按照10毫米的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置直接對齊的精度。要想實現(xiàn)精度提高的目的，在本項目中采用了設(shè)置控制點法，然后將掃描議可以識別的帶有三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)控制點設(shè)置在重疊區(qū)域就可以實現(xiàn)，通過實踐研究證明，如果將控制點信息加入到使用POLY WORKS軟件來進(jìn)行對齊時，那么就可以有效的提高精度，從而保證對齊精度能夠滿足相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

坐標(biāo)系一致：因為三維激光掃描采用的坐標(biāo)系都是獨立坐標(biāo)系，并且是圍繞著掃描儀建立起來的，那么就需要在一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系中融合這些獨立的坐標(biāo)系；只需要將公共控制點設(shè)置在相應(yīng)的位置，那么點云的一致性就可以通過POLY WORKS軟件來實現(xiàn)。設(shè)置控制點主要包括兩個方面的內(nèi)容，一是控制點的密度，二是位置的布設(shè)；這兩個方面都十分的重要，因為后期數(shù)據(jù)處理的精度將會受到布設(shè)位置合理性與布設(shè)點的密度等方面的直接影響。

三維激光掃描的成果輸出：如果在處理點云數(shù)據(jù)方面，采用的是POLY WORKS軟件，那么就會有很多的成果輸出來，比如一些三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、掃描對象的三維模型等。POLY WORKS軟件在某些方面還存在著局限性，會影響到很多方面的應(yīng)用，但是這個軟件的接口功能十分的豐富，用戶可以依據(jù)自己的要求來編碼滿足自己需要和愛好的特殊應(yīng)用，這也是軟件發(fā)展的一個趨勢。

4 結(jié)語

本文簡單分析了三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用，通過實踐研究證明，在地形測量中應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)是十分可行的，但是還存在著一些問題。本次選用的是比較平緩的區(qū)域作為試驗的場地，但是還是會出現(xiàn)一些掃描的死角，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不完整等情況，這樣就會對下一步的工作產(chǎn)生不利的影響。所以，未來研究的重點就是對這些缺損的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修復(fù)。

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