三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用

鄭一濤

摘 要：介紹了三維激光掃描儀以FARO Focus 3D為例的使用方法、內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程，分析了三維激光掃描儀的特點及優(yōu)點。針對目前土方測量中要求高精度和高效率，以及采用全站儀的傳統(tǒng)作業(yè)過程中存在時間長、工作量大等問題，以實際案例論證了三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用技術(shù)，探索了測量的方法和數(shù)據(jù)處理的方法，以促進三維激光掃描技術(shù)的推廣。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；點云；數(shù)據(jù)處理；土方測量；對比分析

1引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展帶動著各種工程建設(shè)項目的不斷進行，項目建設(shè)大部分都與土方工程息息相關(guān)。精確計算土方量能夠為選取施工方案、工程費用的估算以及施工進度的考慮提供重要依據(jù)。在測量過程中，因為測區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜多樣因素的影響、土方量計算中存在的誤差和開挖后不可重來等因素，精準計算土方體積是不可能的，經(jīng)常引起雙方的利益糾紛，如何為了彌補其中不足，就要視工程具體情況來挑選不同測繪方法，以此提高效率和精度。

2 三維激光掃描技術(shù)流程

三維激光掃描儀根據(jù)不同需求可以分為地面三維激光掃描儀、車載三維激光掃描儀、機載三維激光掃描儀、手持三維激光掃描儀、特殊場合應(yīng)用的三維激光掃描儀等幾類。本文主要介紹地面三維激光掃描設(shè)備。地面三維激光掃描是一種直接獲取物體三維圖像的測量手段，由密集的點組成，每個點包含（x，y，z，i）值，x，y，z是掃描儀坐標系表示該點的三維坐標，i是接收到的反射信號的強度。地面三維激光掃描儀與全站儀、RTK等傳統(tǒng)測量手段不同，將單點測量變成立體三維測量，全方位全高精度通過海量連續(xù)的點云數(shù)據(jù)來構(gòu)建物體三維表面的完整模型，但是掃描存在盲目性，不能準確地選擇目標上某一點。

2.1 地面三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描技術(shù)的核心是激光發(fā)射器、激光反射鏡、CCD裝置等【4】，地面激光掃描儀的的工作方式與全站儀相似，激光發(fā)射器通過激光二極管發(fā)射近紅外波長的安全激光束，激光束通過旋轉(zhuǎn)反射鏡對所測對象進行立面的掃描，借助時間解碼器或鑒相器獲取不同點位的反射時間差，從而測出激光與測量點之間的距離，最后編碼器利用采集到的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度和水平旋轉(zhuǎn)角度的值，計算出被測地物表面上每個掃描點的三維坐標，最后整合得到被測對象的采樣點集合，稱之為“點云”。

圖2-1為地面三維掃描儀測量原理：

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程

圖2-2為外業(yè)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)流程圖，在外業(yè)過程中，為了保證數(shù)據(jù)的精度應(yīng)注意以下幾點：

放置靶球，準確放置靶球可以節(jié)約很多時間，同時提高數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。是掃描工作中重要的一步，放置靶球時應(yīng)注意以下幾點：

1）靶球應(yīng)盡可能放置在高處和不被影響的位置。

2）選擇在夜晚或者人流量較少的時段進行工作。

3）合適的靶球數(shù)量可以使數(shù)據(jù)拼接誤差減少（8個左右）。

4）保持地物的全貌，不可遮擋地物的紋理和細節(jié)，以方便建模。

5）在掃描范圍內(nèi)盡量均勻擺放靶球，任意三球不要在同一條直線上。

6）注意設(shè)備的掃描盲區(qū)

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

本文內(nèi)業(yè)處理流程以點云內(nèi)業(yè)軟件FAROScene為例。

圖2-3是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程：

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程中應(yīng)注意以下幾點：

加載單站點點云數(shù)據(jù)時，應(yīng)注意單站點的數(shù)量以防止加載過多超出電腦運行能力，減慢了軟件運行的流暢性降低了工作效率。在處理點云數(shù)據(jù)和刪噪的時候應(yīng)使用較高Mio掃描點參數(shù)可以避免對細節(jié)和紋理造成誤刪或多刪。

3.三維激光掃描技術(shù)的部分應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）三維激光掃描技術(shù)在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，海洋物理模型是重演自然發(fā)生復(fù)雜的海洋現(xiàn)象的一種重要方法，三維激光掃描克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺點，為模型的構(gòu)建提供了有利的技術(shù)支持。

（2）三維激光掃描技術(shù)在鐵路危巖落石勘測中，以非接觸遠距離測量、實時高效的特點彌補了測量中可能出現(xiàn)危險情況的缺點，例如：鐵路沿線在地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域的，大多懸崖峭壁，經(jīng)常出現(xiàn)落石現(xiàn)象，給作業(yè)人員帶來很大的危險性，增加了勘測工作的難度。

4.三維激光掃描測量技術(shù)在土方測量方面的應(yīng)用

4.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于仙游縣一固定區(qū)域土方，其中該圖紅色區(qū)域為本文所選區(qū)域。區(qū)域內(nèi)地面起伏大且土方形狀較復(fù)雜，有一定的樹木遮擋，掃描過程應(yīng)注意這些存在因素，本次試驗以全站儀和三維激光掃描儀分別進行土方測量，然后對過程及成果進行對比。

4.2 全站儀測量法

考慮到試驗區(qū)樹木遮擋和衛(wèi)星信號強弱的問題，本文采用全站儀進行數(shù)據(jù)坐標的采集?？紤]測區(qū)的實際情況，根據(jù)精度要求，在平坦測區(qū)每隔4米測量一點，地面不平整或斜坡每隔2米測量一點。

4.3 三維激光掃描儀法

本次實驗可設(shè)置為1/4分辨率和四倍質(zhì)量，相當(dāng)于相鄰站點距離20米進行擺站，正常情況下每站掃描花費時間為14分鐘。由于三維激光掃描儀內(nèi)置高分辨率的數(shù)碼相機，也可以采用彩色掃描模式，以真彩色或色彩編碼形式顯示點數(shù)據(jù)，使掃描獲取的信息更加全面。

4.4 對比分析

4.4.1精度分析

1）全站儀可通過調(diào)節(jié)棱鏡高獲取測點的實際高程，就減少了被遮擋的部分對測量造的影響。使用三維激光掃描儀時，如果地物被障礙區(qū)遮擋，掃描所得信息就不夠準確存在一定的誤差，在內(nèi)業(yè)處理時就需要人工處理刪除這些不準確的數(shù)據(jù)和構(gòu)造地面模型，其中人工處理的準確程度就直接影響了土方量計算的精度。

2）三維激光掃描儀只能根據(jù)掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，模型根據(jù)表面數(shù)據(jù)進行填充，底面是上表面的投影，平均高程為10米，模型體積即為本次挖填方體積，挖方體積就是模型體積，因此沒有填方。

4.4.2綜合分析

三維激光掃描儀需要大容量的內(nèi)存卡，對電腦軟件設(shè)備的要求也比較高，在使用Faro軟件進行數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)拼接和刪噪的自動化程度低，需要更多的人力投入，后期內(nèi)業(yè)處理需要消耗更多的時間。全站儀采集數(shù)據(jù)時占用內(nèi)存相比較少，內(nèi)業(yè)處理也較容易。

5.結(jié)論和展望

在全站儀和三維激光掃描儀計算土方量的對比中，使用全站儀測量的方格網(wǎng)法耗時較長，計算精度不太高，受環(huán)境影響較大，適合較為平坦的測區(qū)。三維激光掃描儀計算土方量速度較快，精度較高，采集的數(shù)據(jù)更加全面，不受環(huán)境的影響，節(jié)省了測量人員的工作時間，提高了工作效率。三維激光測量技術(shù)的問世和進步為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)支持，是全球信息化發(fā)展的新機遇，已經(jīng)逐漸成為測繪行業(yè)研究的熱門，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展延伸，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一。可以認為，三維激光掃描技術(shù)是未來測繪行業(yè)的又一重大技術(shù)革命。

參考文獻

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