地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)新探

林　波

(龍巖市程安測(cè)繪有限公司，福建 龍巖 364000)

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地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)新探

林波

(龍巖市程安測(cè)繪有限公司，福建 龍巖 364000)

摘要：空間信息獲取技術(shù)是當(dāng)前地球空間技術(shù)研究的熱門領(lǐng)域，由于自然界空間具有復(fù)雜性，所以傳統(tǒng)的地面三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)不能滿足科學(xué)發(fā)展的需要，所采集的數(shù)據(jù)采樣率低，難以反映地面空間的真實(shí)情況，所以地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以其快速、無接觸、精確等優(yōu)勢(shì)在地面空間數(shù)據(jù)的搜集中發(fā)揮著重要的作用。人們稱地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)成為繼GPS技術(shù)以后在測(cè)繪領(lǐng)域中又一次的技術(shù)革命。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描；測(cè)量技術(shù)；技術(shù)

地面三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于地面空間數(shù)據(jù)的采集，傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)暴露出來越來越多的缺點(diǎn)，與地面三維激光掃面測(cè)量技術(shù)相比，具有局限性和落后性。自從地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)入到我國(guó)以來，經(jīng)過了十幾年的研究，現(xiàn)已經(jīng)初具規(guī)模和使用效果，但是在一些技術(shù)應(yīng)用過程中仍然是存在著一些問題，需要我們進(jìn)一步研究和解決。

1地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的基本情況

1.1三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)及其主要特征

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)作為三維空間數(shù)據(jù)采集運(yùn)用到的技術(shù)之一，在近幾年來空間數(shù)據(jù)的采集過程中發(fā)揮了重要的作用，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不足。現(xiàn)階段我國(guó)三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的主要類型包括：①大地測(cè)量技術(shù)，主要包括經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和全站儀等設(shè)備的應(yīng)用；②天文測(cè)量技術(shù)；③衛(wèi)星定位技術(shù)，也就是GPS系統(tǒng)；④慣性測(cè)量技術(shù)，慣性測(cè)量?jī)x主要由加速度計(jì)、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)和微機(jī)這三部分組成，只需要把它安裝在運(yùn)動(dòng)體上，就可以測(cè)定運(yùn)動(dòng)體所處的經(jīng)緯度、高度、重力異常、垂線偏差分量等大地元素；⑤激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)。這些技術(shù)運(yùn)用在不同的領(lǐng)域，但都是在隨時(shí)搜集和接受大地空間數(shù)據(jù)[1]。

此外三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的主要特征有四個(gè)方面，下面進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

①采集技術(shù)集成一體化。在傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)采集和測(cè)量的過程中，主要是離散式的測(cè)量、計(jì)算、繪圖和用圖的過程，這幾個(gè)環(huán)節(jié)之間彼此相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)。比如在對(duì)野外這一環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就可從測(cè)角、測(cè)距和水準(zhǔn)這三個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量。而現(xiàn)代地面三維空間技術(shù)是集成測(cè)繪技術(shù)，它的外業(yè)、內(nèi)業(yè)和用圖實(shí)現(xiàn)了一體化和集成化。而且在測(cè)繪的過程中，主要是使用現(xiàn)代電子測(cè)繪儀器，比如GPS接收器、全站儀等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)環(huán)節(jié)和步驟之間的合作和集成一體化。

②觀測(cè)的目標(biāo)動(dòng)態(tài)化。在傳統(tǒng)的測(cè)繪中，是把終點(diǎn)建立在模擬地形圖之上，只需要對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理；而現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的收集和處理有了更高的要求。特別是在工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量中。已經(jīng)不單單是土木測(cè)量的范圍，而是要對(duì)土木與非土木同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，還要對(duì)目標(biāo)內(nèi)的一切運(yùn)動(dòng)體和相關(guān)的數(shù)字、物理、化學(xué)等特性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

③實(shí)時(shí)化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)具有一定的滯后性，主要體現(xiàn)在測(cè)量建立對(duì)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的后期處理過程中，從觀測(cè)到獲得三維坐標(biāo)具有一定的時(shí)滯。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，現(xiàn)代電機(jī)的配套安裝、自動(dòng)化生產(chǎn)線的檢測(cè)、軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域需要測(cè)繪能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行，顯然傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)具有落后性，所以現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的確定三維空間坐標(biāo)[2]。

④成果數(shù)字化。在現(xiàn)代社會(huì)中，任何一項(xiàng)高科技的應(yīng)用都離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子智能技術(shù)的應(yīng)用，所以現(xiàn)代空間三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)仍然需要計(jì)算機(jī)技術(shù)，使其測(cè)量成果實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在傳統(tǒng)的測(cè)繪過程中，習(xí)慣于把終點(diǎn)建立在模擬地形圖的基礎(chǔ)上，雖然地質(zhì)地形圖具有直觀、使用方便的特點(diǎn)，但是測(cè)圖與需要的圖之間總是存在差距。比如測(cè)圖精確度不高、圖上的數(shù)據(jù)和信息不全等缺點(diǎn)，這時(shí)數(shù)字化在地面三維空間數(shù)據(jù)采集的過程中就可以改變上述的問題，尤其是應(yīng)用于野外大比例尺測(cè)圖技術(shù)，可以保證地形點(diǎn)具有足夠的空間。

1.2地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的原理

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的核心是激光反射鏡、激光發(fā)射器、光機(jī)電自動(dòng)傳感裝置、激光自適應(yīng)聚焦控制單元和CCD 技術(shù)等。但是由于三維激光掃描儀具有不同類型的種類，而且這些儀器之間工作原理也是不同的，經(jīng)過總結(jié)，常見的原理大致有三種類型。①運(yùn)用相位干涉的方法進(jìn)行掃描，使用激光連續(xù)波發(fā)射，利用光學(xué)干涉原理來確定干涉相位的測(cè)量方法。這樣的測(cè)量使用于近距離的測(cè)量，測(cè)量范圍一般小于50米，采樣點(diǎn)的速率可以達(dá)到10000點(diǎn)-500000點(diǎn)/秒。②使用脈沖測(cè)距技術(shù)，主要是從固定中心沿視線測(cè)量距離，通常的測(cè)距大于100米，采樣速率在1000點(diǎn)/秒以上。③還可以利用立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源，可以獲得兩條光線信息，從而建立立體投影關(guān)系。這種方法適用于近距離的測(cè)量，測(cè)量范圍在20米以內(nèi)，采樣點(diǎn)的速率是100點(diǎn)/秒。

就目前的地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)來看，大多數(shù)激光掃描儀所使用的工作原理是脈沖激光測(cè)距的方法。主要是使用無接觸式高速激光進(jìn)行測(cè)量，通過點(diǎn)云形式獲得掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。運(yùn)用這一工作原理的儀器主要包括掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)以及支架系統(tǒng)，還包括集成數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。常見的掃描系統(tǒng)中的LMS-Z210、GS100、ILRIS 3D、GS200等都是應(yīng)用的這種工作原理。使用這種三維激光掃面技術(shù)的工作原理的三維激光掃描儀，主要采用 TOF脈沖測(cè)距法，這是一種具有高速激光測(cè)時(shí)、測(cè)距的技術(shù)。這種技術(shù)獲取掃描目標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)的工作原理，是根據(jù)儀器內(nèi)部精密的測(cè)量系統(tǒng)獲得發(fā)射出去的激光光束的水平向角度α和垂直方向角度θ，由脈沖激光發(fā)射到儀器的距離是s，這時(shí)可以根據(jù)掃描反射接收的激光強(qiáng)度對(duì)掃描點(diǎn)實(shí)施顏色灰度的匹配工作。

圖1三維坐標(biāo)獲取

2地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)

2.1數(shù)據(jù)采樣率高

就目前看來，采用脈沖激光工作原理和時(shí)間激光工作原理的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，這兩種的掃描儀采樣點(diǎn)的速率可以達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒，同時(shí)適用于遠(yuǎn)距離的采集；使用相位激光的工作原理的三維激光掃描儀可以達(dá)到數(shù)十萬點(diǎn)/秒，所以現(xiàn)代的地面數(shù)據(jù)收集技術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2非接觸測(cè)量

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)采用的是非接觸掃描目標(biāo)的方式，進(jìn)行測(cè)量。非接觸的方式不需要反射棱鏡，而且對(duì)掃描目標(biāo)物體的表面不需要任何的處理。因?yàn)椴捎弥苯硬杉矬w表面的三維數(shù)據(jù)，以這樣的方式采集的數(shù)據(jù)可以保證真實(shí)可靠。非接觸測(cè)量可以應(yīng)用于解決危險(xiǎn)目標(biāo)、人員難以達(dá)到的位置和環(huán)境比較惡劣的情況。

2.3高分標(biāo)率、高精度的特點(diǎn)

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度獲取海量的地面空間三維數(shù)據(jù)，并且可以針對(duì)掃描目標(biāo)，實(shí)施高密度的三維數(shù)據(jù)采集，這樣可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的特點(diǎn)。

2.4主動(dòng)發(fā)射掃描光源

三維激光掃描測(cè)量術(shù)是采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源或者是激光，通過探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來獲取目標(biāo)物體的空間數(shù)據(jù)信息。所以在實(shí)際的掃描工作中，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以打破時(shí)間和掃描環(huán)境空間的限制，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)發(fā)射掃描光源的工作。

3地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

地面三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)搜集技術(shù)來說，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集過程中，變得更加精確和快速，實(shí)現(xiàn)了地面數(shù)據(jù)采集的完整和全面。而且隨著地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究的不斷深入，它的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用深度在不斷加深。

3.1工程方面的應(yīng)用

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在工程方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①大型土木工程測(cè)量。在大型土木工程中的應(yīng)用主要是針對(duì)道路、橋梁、隧道等土木工程的建設(shè)，在施工前的準(zhǔn)備階段，要獲得精細(xì)的地形圖，而且在施工工程的中期和后期完成階段，要建立三維模型，以此作為施工的環(huán)境和地質(zhì)分析的依據(jù)，對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)和質(zhì)量的監(jiān)督[3]。

②地質(zhì)的應(yīng)用。在我國(guó)國(guó)內(nèi)，地質(zhì)方面的工作主要包括地質(zhì)編錄、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)露頭研究、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊坡安全檢測(cè)等，由于使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量效率比較低，而且安全性和精確度都不高，所以就是用地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，可以充分以安全高效、非接觸、精確的特點(diǎn)獲得目標(biāo)的三維坐標(biāo)，從而建立三維模型。

③復(fù)雜工業(yè)設(shè)備、高壓輸電線路測(cè)量。復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備管線數(shù)量非常多，縱橫交錯(cuò)，需要對(duì)這些管線進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以便于日后設(shè)備的維護(hù)和管線的替換。利用地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以以高效精確的特征生成3D模型，從而為這些復(fù)雜的大型設(shè)備建立可視化的三維模型。

3.2土石方的體積測(cè)量

在土石方體積測(cè)量的過程中，可以根據(jù)地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)獲得高精度三維點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，這樣可以輕松精確的獲得目標(biāo)物的體積大小。 礦山開挖的土石方體積測(cè)量、大型艙容測(cè)量、大型存儲(chǔ)罐測(cè)量和單株樹木體積測(cè)量。

3.3文物保護(hù)工作的應(yīng)用

文物保護(hù)工作是一項(xiàng)非常復(fù)雜而且細(xì)致的工作，文物的保護(hù)不僅僅是簡(jiǎn)單的文物保護(hù)工作，還包括對(duì)文物的修護(hù)工作。因?yàn)槲奈餁v史比較久遠(yuǎn)，很多時(shí)候文物不能直接接觸，所以在文物測(cè)量是要通過非接觸的方式進(jìn)行。所以要使用地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，可以建立文物表面的精細(xì)模型，這樣就可以不對(duì)文物接觸，而是可以對(duì)模型的任意位置進(jìn)行測(cè)量。這樣也為文物遭到破壞的情況下，可以技術(shù)提供修復(fù)和恢復(fù)文物的數(shù)據(jù)。比如敦煌石窟數(shù)字化、大昭寺數(shù)字化、故宮數(shù)字化等都是對(duì)地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

4結(jié)語

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)地面數(shù)據(jù)采集技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，是空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)和激光無反射棱鏡長(zhǎng)距離快速測(cè)距技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)新測(cè)繪技術(shù)。隨著地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究的深入，它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在工程測(cè)量、文物保護(hù)、土石方體積的計(jì)算等領(lǐng)域都有重要的作用，而且還對(duì)地面三維空間的數(shù)據(jù)收集發(fā)揮了重要的作用，以高精度、快速的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集和分析。所以我們要做好地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的研究，不斷促進(jìn)我國(guó)空間信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐柏松.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在海港礁石區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用[J].港工技術(shù),2012,49(4):61-63.

[2]梁建軍.地面三維激光掃描建模在建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察,2014(5):210-212.

[3]柴炳陽,邵向楠.基于三維激光掃描的路面采樣測(cè)量技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(20):123-124.

(責(zé)任編輯侯中巖)

中圖分類號(hào)：P22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-5382(2015)04-0090-03

作者簡(jiǎn)介：林波(1988-)，女，浙江舟山人，龍巖市程安測(cè)繪有限公司測(cè)繪工程助理工程師.

收稿日期：2015-05-27