三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用

■吳凱

（新疆烏魯木齊市城市勘察測(cè)繪院新疆烏魯木齊830000）

三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用

■吳凱

（新疆烏魯木齊市城市勘察測(cè)繪院新疆烏魯木齊830000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人類視野的開拓，人類對(duì)未知的世界越發(fā)的好奇起來(lái)，探索和測(cè)量就是人類邁進(jìn)新世界的敲門磚，三維激光掃描儀技術(shù)的發(fā)明就是打開這一大門的鑰匙。三維激光掃描儀加上全球定位系統(tǒng)的組合使得數(shù)字技術(shù)測(cè)繪能力又進(jìn)行了一次質(zhì)的飛躍，在大范圍地形勘測(cè)中，測(cè)量結(jié)果在各方面都表現(xiàn)出三維激光掃描技術(shù)儀要比傳統(tǒng)的方式更加精確和高效，不僅能夠保證測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還更加靈活和智能[1]。

三維激光掃描儀 地形測(cè)量 實(shí)際應(yīng)用

三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的廣泛應(yīng)用是在三維激光掃描儀的出現(xiàn)后才真正實(shí)現(xiàn)的，是在全球定位系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展于地形測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上的又一次突破，這種革新技術(shù)采用了全自動(dòng)、高精確度、全方位立體式掃描方式，是全球定位系統(tǒng)運(yùn)用市場(chǎng)的開拓者。三維激光掃描測(cè)量?jī)x技術(shù)在大大減少人力物力成本的同時(shí)，還能方便和快捷的數(shù)據(jù)分析，甚至數(shù)據(jù)采集的同時(shí)可以直接在電腦被3Dmax、CAD等專業(yè)軟件中顯示處理，這種效率是傳統(tǒng)方式無(wú)法完成的。隨著三維激光掃描測(cè)量?jī)x技術(shù)、3D技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件的完善，這些新興技術(shù)的運(yùn)用也漸漸深入到各行各業(yè)，如電影特效、文物鑒定、模具制造、導(dǎo)航技術(shù)等等，科學(xué)技術(shù)最終都為人類生活所服務(wù)。

1　三維激光掃描儀技術(shù)的分類

三維激光掃描儀技術(shù)形形色色有很多，不過(guò)按照掃描儀所搭載的平臺(tái)可以分為三種：便攜式激光掃描儀技術(shù)、地面激光掃描儀技術(shù)、星載(或機(jī)載)激光掃描儀技術(shù)。

按照所掃描技術(shù)的距離又可以分成以下四類：

（1）短距離激光掃描儀技術(shù)：正常掃描距離為60CM～120CM，在此段距離間的掃描效果也是最佳，但最長(zhǎng)掃描距離不能超過(guò)300CM，這種掃描儀技術(shù)，其掃描速度快精確度高，普遍運(yùn)用于小型模具的測(cè)量。（2）中距離激光掃描儀技術(shù)：掃描距離在3M～30M之間，這種技術(shù)多用于室內(nèi)空間以及大模具的掃描。（3）長(zhǎng)距離激光掃描儀技術(shù):掃描距離在30M～1000M之間，長(zhǎng)距離三維激光掃描儀技術(shù)多于大型土木工程和建筑物的建造和測(cè)量時(shí)使用。（4）航空航天激光掃描儀技術(shù)：最長(zhǎng)掃描距離通常在1000M以上，并且必須配合精確的全球定位系統(tǒng)，在大范圍地形的掃描測(cè)量方面有很好的運(yùn)用。這種技術(shù)可以在軍事和大比例尺地圖測(cè)繪中很好的施展拳腳[2]。

2　三維激光掃描儀技術(shù)數(shù)據(jù)處理地形數(shù)據(jù)的原理和方法

三維激光掃描儀在進(jìn)行掃描完成后，把掃描的結(jié)果以三維點(diǎn)云的形式整齊平均的排布在被掃描物體的表層，并可進(jìn)行多次掃描直至觀測(cè)數(shù)據(jù)完整。而在掃描測(cè)量后，再進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模過(guò)程，把被測(cè)地形正確而直觀的描述出來(lái)，這樣才完成一次符合要求的掃描。不同測(cè)站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的參考坐標(biāo)也是不同的,所以幾個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)必須以彼此作為坐標(biāo)系統(tǒng)參考的關(guān)系轉(zhuǎn)換,也可把所有的三維點(diǎn)云所測(cè)到的同一地形的數(shù)據(jù)找到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行參考，這種數(shù)據(jù)處理和參考坐標(biāo)的方法被稱為三維點(diǎn)云聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)在常用的三維點(diǎn)云聯(lián)結(jié)方法有四種:

2.1共軛面轉(zhuǎn)換法

在不同觀測(cè)站掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)云中找到一部分可以重疊的群點(diǎn)云，由觀測(cè)員將這些點(diǎn)云經(jīng)過(guò)操作重疊成“面”，再找出多個(gè)不平行的“面”（即共軛面），這幾個(gè)共軛面可得到多個(gè)進(jìn)行平行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)形成的三維立體坐標(biāo)，并得出相關(guān)參數(shù)。這種共軛面轉(zhuǎn)換法雖然工作專業(yè)性比較高，且計(jì)算較為復(fù)雜，對(duì)觀測(cè)員的業(yè)務(wù)素質(zhì)和觀測(cè)能力要求嚴(yán)格，但不需要到觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行額外的作業(yè)。

2.2磁性覘標(biāo)控制點(diǎn)法

在相鄰的觀測(cè)站共同所能觀測(cè)的區(qū)域設(shè)置磁性覘標(biāo)，以覘標(biāo)為標(biāo)點(diǎn)，再使用激光對(duì)磁性覘標(biāo)的位置發(fā)出發(fā)射弧，激光所發(fā)出的弧對(duì)覘標(biāo)有著特殊的反射強(qiáng)度，使得其很容易自主的尋找到控制點(diǎn)的位置，在被測(cè)地形上放置多個(gè)覘標(biāo)點(diǎn)，便可以定位得到這里的坐標(biāo)參數(shù)，這種方法比起共軛面轉(zhuǎn)換法多一個(gè)設(shè)置覘標(biāo)的過(guò)程。

2.3測(cè)站后視棱鏡法

激光的特點(diǎn)是在射到有棱鏡時(shí)會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，而且很容易辨識(shí)，所以把測(cè)量站和棱鏡分布在三維關(guān)系網(wǎng)中，從測(cè)量站和棱鏡的地形坐標(biāo)可得出三維點(diǎn)云的坐標(biāo)參數(shù)。而前兩者的坐標(biāo)可以由全站儀和全球定位系統(tǒng)得到，這種方法與磁性覘標(biāo)控制點(diǎn)也較為自動(dòng)化。

2.4曲面匹配法

如果被測(cè)量的地形是類似于海洋，其存在變形起伏的情況，那么以上幾種方法都可能不能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。因此可以通過(guò)曲面匹配法與重疊區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，這種方法目前還無(wú)法離開傳統(tǒng)的測(cè)繪，必須倚靠人為參與和操作，內(nèi)業(yè)處理后才能得出最佳數(shù)據(jù)。

3　三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的實(shí)例

當(dāng)年對(duì)西藏自治區(qū)的日喀則進(jìn)行水利樞紐建設(shè)，為當(dāng)?shù)氐乃团涮坠喔仍O(shè)施進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，在工程開工前對(duì)該地區(qū)的測(cè)量工作就是由三維激光掃描儀技術(shù)展開，當(dāng)?shù)氐钠骄０卧?500米以上，地域遼闊、交通不便、高山荒漠眾多、原始地貌復(fù)雜，在如此惡劣的環(huán)境下進(jìn)行采用傳統(tǒng)方式作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作難度極大，而該工程又包括水壩水庫(kù)和支流的地形分析和觀測(cè)，因此，在觀測(cè)中三維激光掃描儀技術(shù)的迅速高效的特點(diǎn)突顯無(wú)疑。

而在南水北調(diào)工程中，對(duì)全國(guó)水網(wǎng)的整體規(guī)劃，更加不可能靠人工來(lái)測(cè)繪，這種大比例超大范圍的工程設(shè)計(jì)，必須用結(jié)合了GPS功能的三維激光掃描儀技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。如其中難度較大的千島湖引水工程，光引水管網(wǎng)鋪設(shè)的長(zhǎng)度就超過(guò)100公里，沿途大范圍的管道網(wǎng)的分布和設(shè)計(jì)，千島湖周圍丘陵綿延，植物生長(zhǎng)繁茂，視線范圍很差，如采用傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法完成，將影響國(guó)家建設(shè)的步伐，而使用三維激光掃描儀技術(shù)很輕易的在短時(shí)間內(nèi)就設(shè)計(jì)完成了工程方案。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用已經(jīng)駕輕就熟，給傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)帶不小的沖擊，是地形測(cè)繪的一個(gè)里程碑。較傳統(tǒng)的地形測(cè)繪方法而言，測(cè)量的準(zhǔn)確率高、形式方法的多樣性、得出數(shù)據(jù)的精確和迅速，并且能夠在電腦中一次性建模，都極大的解決和滿足了不同工作中所遇到的問(wèn)題和所提出的要求。在信息發(fā)達(dá)的時(shí)代，在智能化和數(shù)據(jù)化的工程架構(gòu)下，在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，效率永遠(yuǎn)是人們的首要追求，企業(yè)都在努力追求降低成本，減少勞動(dòng)力，因?yàn)樾б娌攀峭醯?。因此，三維激光掃描儀技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用和前景必然廣闊。

[1]李子坡，李曉靜；工程技術(shù) [M].三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用.2009：249.

[2]康習(xí)軍.科技視界 [M].淺談三維激光掃描儀在測(cè)量中的應(yīng)用.2010:86.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-246-1

吳凱（1983～），男，2005年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），本科，研究方向?yàn)槌鞘袦y(cè)繪。