三維電子激光掃描儀在測繪中的應(yīng)用

■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規(guī)劃設(shè)計院 新疆巴音郭楞 841000）

三維電子激光掃描儀在測繪中的應(yīng)用

■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規(guī)劃設(shè)計院 新疆巴音郭楞 841000）

三維激光掃描儀應(yīng)用于測繪具有數(shù)據(jù)獲取速度快和處理精度高等特點，它無需接觸被測繪物體而獲得物體表面點云數(shù)據(jù)，然后自動對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具有傳統(tǒng)測繪手段無法比擬的優(yōu)越性，是一項極有應(yīng)用前途的高新技術(shù)。

三維電子激光測繪應(yīng)用

計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和三維建模研究方法的不斷完善促進(jìn)三維電子激光掃描儀廣泛應(yīng)用于測繪，如文物與古建筑保護(hù)、公路測量與地形圖測繪、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與形變監(jiān)測、工業(yè)設(shè)備的三維建模、土石方和體積測量等。加強(qiáng)對三維電子激光掃描儀在測繪中的應(yīng)用研究是行業(yè)發(fā)展與時俱進(jìn)的要求。

1 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測繪的發(fā)展

三維激光掃描儀于上個世紀(jì)九十年代開始應(yīng)用于測繪，它能獲取并處理各種型號、形狀、簡單或復(fù)雜的待測繪物體的表面數(shù)據(jù)，構(gòu)建測繪物體的三維模型。三維電子激光掃描技術(shù)前身是激光雷達(dá)技術(shù)。國外對三維激光掃描儀從上世紀(jì)六十年代就開始，直至現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成極具規(guī)模的比較成熟的產(chǎn)業(yè)。如瑞士的Leica公司、美國的3D DIGITAL公司。我國將三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測繪的時間比較短，清華大學(xué)曾提出將三維激光掃描儀國產(chǎn)化，通自主研發(fā)并設(shè)計掃描儀樣機(jī)，“LD激光自動掃描測量系統(tǒng)”便是武漢大學(xué)自主研制的集多傳感器于一體的自動化三維激光掃描系統(tǒng)，三維激光掃描儀為我國的工程建設(shè)、三維模型構(gòu)建、城市規(guī)劃、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域做作出巨大貢獻(xiàn)。我國舟曲泥石流災(zāi)區(qū)的數(shù)據(jù)便是甘肅地礦局采用三維激光掃描儀掃描的結(jié)果。

2 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測繪的優(yōu)越性

三維電子激光掃描儀無需接觸待測繪物體而能獲得大量立體空間三維數(shù)據(jù)，其一切信息幾何數(shù)據(jù)化的特點使得該技術(shù)具有傳統(tǒng)測繪技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。（1）信息采樣多。三維激光掃描儀脈沖激光的信息獲取量可達(dá)上千甚至上萬點每秒，如相位激光掃描儀，可以獲取帶測繪物體更多的空間信息。（2）高準(zhǔn)確度。三維激光掃描技術(shù)可以避免待測繪物體表面近似誤差，并且獲得的數(shù)據(jù)精度相對較高且分布均勻。（3）受環(huán)境約束小。（4）無需接觸測繪物體。（5）兼容性強(qiáng)。

3 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測繪的技術(shù)要求

任何事物都存在著客觀規(guī)律，建筑物的建造也一樣，確定測繪物體形狀、大小和幾何位置，并對這些有規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化與歸納，能提高三維電子激光掃描儀測繪技術(shù)的效率。

3.1 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集

（1）現(xiàn)場踏勘。待測繪物體的具體位置、空間分布、外部形態(tài)、內(nèi)部架構(gòu)，并結(jié)合測繪的精度和分辨率要求，繪制出勘測現(xiàn)場的草圖，是去現(xiàn)場踏勘的目的。應(yīng)盡量選擇無遮擋物、無重疊部分區(qū)域作為掃描站點，并保證站點在掃描儀的有效掃描范圍內(nèi)。適當(dāng)設(shè)置合理站數(shù)，站數(shù)過多會降低掃描效率，站數(shù)過少則容易出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

（2）控制網(wǎng)的布設(shè)。任何建筑物的完整數(shù)據(jù)都可能一蹴而就，必須通過多個站點掃描并將獲得的這些數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系，這些控制點便構(gòu)成控制網(wǎng)，控制點布置要均勻且通視良好。

（3）標(biāo)靶的布設(shè)。為了后續(xù)點云數(shù)據(jù)拼接的方便，掃描前應(yīng)在掃描區(qū)域設(shè)立多個標(biāo)靶，相鄰的兩測站之間要有3個以上公共標(biāo)靶，標(biāo)靶與測試站盡量保持通視，且這些標(biāo)靶不能布設(shè)在同一直線上。

（4）建筑物的掃描。三維激光掃描儀架設(shè)應(yīng)與控制點對中、整平，在鄰近的控制點上架設(shè)專用標(biāo)靶。打開掃描儀電源掃描儀開始自檢后，掃描儀和筆記本建立聯(lián)系，以存儲點云數(shù)據(jù)。跟進(jìn)COM口的前進(jìn)方向框選出掃描區(qū)域和標(biāo)靶位置，然后利用掃描儀內(nèi)部像極獲取測繪物體影像。在掃描儀軟件中輸入測站點坐標(biāo)、后視點坐標(biāo)、儀器高度和標(biāo)靶高度，然后對后視點上標(biāo)靶的范圍進(jìn)行框選，以獲得掃描儀定向結(jié)果。根據(jù)測試站的點云數(shù)據(jù)要求設(shè)定分辨率是掃描建筑物的前期準(zhǔn)備。

（5）紋理數(shù)據(jù)采集。通過采集測繪物體的紋理數(shù)據(jù)可以達(dá)到讓測繪建筑物真實再現(xiàn)的效果。紋理數(shù)據(jù)質(zhì)量越高能使測繪建筑物還原更加逼真，這些就需要設(shè)備、光照和人的技術(shù)三者結(jié)合發(fā)揮合力。被掃描的區(qū)域應(yīng)管線明亮而柔和，避免反光，設(shè)置相機(jī)合力的曝光度，相機(jī)鏡頭與被拍攝面保持垂直能獲得更好的拍攝效果，最好對建筑物份部分拍照然后將紋理拼接，尤其是復(fù)雜的建筑物，整體拍照是得不到理想效果的。

3.2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）去除噪聲。數(shù)據(jù)噪聲是指由于信息過大而必然存在的差點和錯誤，噪聲不僅浪費計算機(jī)存儲空間，也會降低數(shù)據(jù)總體質(zhì)量而影響三維模型建構(gòu)的精確性。各測試站點云數(shù)據(jù)的獨立性為去除噪聲技術(shù)提供了運用的可能性，去除噪聲也是后續(xù)建立模型的必要。去除噪聲也分為兩個步驟進(jìn)行。首先是去噪，根據(jù)噪聲的主要來源對癥下藥：其一，受測量方法和掃描設(shè)備影響比如掃描儀分辨率的設(shè)置、測距精度的大小、儀器受到震動的程度和掃描角度的變化形成的噪聲，適當(dāng)調(diào)整掃描參數(shù)、改變掃描角度以及利用濾波的方法來進(jìn)行過濾；其二，被掃描物體自身的條件，如表面粗糙度、表面材料、波紋等因素形成的噪聲，可以通過改變掃描儀和被測物體的掃描距離來增強(qiáng)反射率來解決；其三，偶然因素或者不可抗力，比如被掃描物旁邊路過或已經(jīng)存在的無關(guān)之物，可以通過手動刪除。其次，對于通過初步去噪后仍隱藏于點運數(shù)據(jù)中的噪聲，應(yīng)進(jìn)行平滑處理如降低點云密度以提高素具質(zhì)量，即點云濾波。

（2）點云拼接。對任何測繪物體完整數(shù)據(jù)的獲得都需要進(jìn)行多站點掃描，三維激光掃描儀本身有自己的直角坐標(biāo)系，但由于不同測繪站點對測繪物體同一位置得到的數(shù)值不同，且各自獨立存在，這就需要對這些分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接為后續(xù)處理工作做好準(zhǔn)備。拼接點云可以通過四種途徑進(jìn)行：基于標(biāo)靶拼接；基于點云數(shù)據(jù)拼接，基于控制點拼接和混合拼接。

4 結(jié)語

將地面三維激光掃描儀器應(yīng)用于測繪是測量技術(shù)的巨大進(jìn)步，并且在應(yīng)用的過程中這項技術(shù)也得到了更充足的發(fā)展。但當(dāng)前地面三維激光掃描儀體積大，質(zhì)量重，價錢高，技術(shù)處理軟件待進(jìn)一步改進(jìn)，也是當(dāng)前三維激光掃描儀被廣泛應(yīng)用路上需要解決的難題。

[1]余明,丁辰,過靜珺.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測繪的研究 [J].測繪科學(xué).2004,5: 69-70.

[2]袁夏.三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù) [D].南京理工大學(xué)碩士論文.2006.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-252-1