地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

霍文強(qiáng)

【摘 要】三維激光掃描技術(shù)，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，起源于20世紀(jì)末期的新興技術(shù)，其通過迅速激光掃描測量的方式，大范圍高分辨率的及時獲得被測目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為科學(xué)構(gòu)建物體的三維影像模型提供了新的技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】地面三維激光掃描技術(shù)；工程測量

中圖分類號： P225.2；TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0228-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.101

Application of terrestrial 3D laser scanning technology in engineering survey

HUO Wen-qiang

（The Inner Mongolia Autonomous Region Institute of Surveying and Mapping， Hohhot， Inner Mongolia 010050， China）

【Abstract】Three-dimensional laser scanning technology， also known as real-time replication technology， originated in the late 20th century， a new technology， through rapid laser scanning measurement， large-scale， high-resolution and timely access to the measured target surface of the three-dimensional coordinate data， for the scientific construction of three-dimensional image model of the object provides a new technical means.

【Key words】Terrestrial 3D laser scanning technology； Engineering survey

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國建筑工程項目數(shù)量日益增加，而工程測量是保證建筑工程項目正常進(jìn)行的前提。傳統(tǒng)的工程測量必須要花費(fèi)很多時間、人力和物力，并且不能確保測量精準(zhǔn)度。地面三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精準(zhǔn)度等優(yōu)點(diǎn)，將其在工程測量中應(yīng)用，能夠明顯提升工程測量精準(zhǔn)度。

1 三維激光掃描技術(shù)的簡單介紹

三維激光掃描技術(shù)，是信息時代的新興技術(shù)之一，最早不是我國研究開發(fā)的，而是由國外研究進(jìn)行開發(fā)的。其主要儀器設(shè)備是三維激光掃描儀，結(jié)合激光測距的基本原理，采用伺服馬達(dá)設(shè)備及掃描進(jìn)，按照既定目標(biāo)要求對有關(guān)的行業(yè)進(jìn)行掃描和定位，進(jìn)而根據(jù)流程獲得紋理信息及三維坐標(biāo)，最終充分體現(xiàn)出三維場景。

三維激光掃描技術(shù)是一項全面系統(tǒng)的流程，通過進(jìn)行正確的計算、定位及測量，再將所獲取信息及時上傳，進(jìn)而完成掃描定位全過程。[1]結(jié)合不同的掃描空間，可以將其劃分成兩種，分別是空中激光掃描技術(shù)及地面激光掃描技術(shù)，在國外許多國家三維激光掃描技術(shù)受到普遍應(yīng)用，具體應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域以及船舶領(lǐng)域等等。而國內(nèi)三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域以及考古領(lǐng)域等等。此外，因?yàn)榭罩屑す鈷呙杓夹g(shù)均有相對固定的領(lǐng)域和應(yīng)用屠刀，所以本文重點(diǎn)探究地面掃描激光技術(shù)，其整個操作流程并不復(fù)雜，主要是采用水平及垂直的全自動高精度完成掃描，從而結(jié)合測算公式與具體原理來繪制出準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與事實(shí)情況相符合的虛擬三維模擬場景。

2 地面三維激光掃描的具體分類及基本原理

通常，根據(jù)測量方法來劃分，可以將地面三維激光掃描技術(shù)分成兩種，分別是移動式及固定式激光掃描系統(tǒng)。[2]其中，固定式激光掃描系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測量中的全站儀是十分相似的，由內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、控制系統(tǒng)及激光掃描儀等多個部分組成。但是相對于全站儀來說，固定式激光掃描儀收集的是整個系列的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)信息，而不是分散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，其主要特征是掃描面積大、速度較快、精準(zhǔn)度較高以及具備良好的野外操作性。而移動式激光掃描系統(tǒng)，是以車載平臺為基礎(chǔ)，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)與固定式三維激光掃描系統(tǒng)相結(jié)合而組成的。

三維激光掃描技術(shù)的基本原理是激光測距，事實(shí)上三維激光掃描的工作過程就是反復(fù)性的數(shù)據(jù)處理及采集過程。從獲得掃描反射接受的激光強(qiáng)度，有效匹配掃描點(diǎn)的顏色灰度。對于掃描激光來說，系統(tǒng)局部坐標(biāo)是采樣點(diǎn)，而坐標(biāo)原點(diǎn)是掃描儀的內(nèi)部，通常X軸、Y軸都位于局部坐標(biāo)系的水平面中，Y軸表示掃描儀垂直方向，Z軸表示垂向方向。由此可見，能夠得出掃描目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)XS、YS、ZS的計算方法。

3 地面三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程

三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理流程在工程測量中主要兩大部分，一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，二是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。前者，包括數(shù)據(jù)掃描及控制測量工作，控制測量主要包括高程控制測量及平面控制測量，而數(shù)據(jù)掃描主要包括標(biāo)靶三維坐標(biāo)測量及三維激光掃描。后者，包括虛擬測量、掃描數(shù)據(jù)拼接以及數(shù)據(jù)抽隙等多個步驟。

因?yàn)閽呙鑼ο笫芟抻诳陀^環(huán)境，通常項目必須要經(jīng)過三四個站的掃描，才能夠覆蓋整個研究對象，有些項目甚至需要幾百個站。這樣就會引發(fā)一個新的問題出現(xiàn)，怎樣將十幾個站以及幾百個站的掃描點(diǎn)拼接成一個整體。每個設(shè)備的生產(chǎn)廠家都會提供用于拼接的工具，也就是標(biāo)靶。若每個站掃描的標(biāo)靶不超過三個，可以運(yùn)用全站儀或者其他的方式來獲取標(biāo)靶的空間部位，這樣就能夠?qū)蓚€站的掃描點(diǎn)云拼接在一起，這就是所謂的數(shù)據(jù)拼接，通過此種方式，可以在同一個平面坐標(biāo)系中放進(jìn)掃描項目的所有點(diǎn)云。在工程測量中，要想獲取標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，可以采用全站儀。因此，外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括高程控制測量及平面控制測量，其精準(zhǔn)度要求與等級只需要符合有關(guān)規(guī)范要求。并且在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中數(shù)據(jù)掃描是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括標(biāo)靶三維坐標(biāo)測量與三維激光掃描。三維激光掃描應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際情況及儀器指標(biāo)，確定標(biāo)靶位置、掃描間距以及掃描距離，在掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中應(yīng)該可以將標(biāo)靶的中心位置分辨出來，但是要注意遮擋問題。對于工程測量，可以采用傳統(tǒng)的方法來獲得標(biāo)靶平面坐標(biāo)，也才可以采取三角高程測量方式來獲取標(biāo)靶高度。

一般在特定的條件下，可以按照標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，將多個站的掃描數(shù)據(jù)拼接到儀器，并且放在同一個坐標(biāo)中，這就是人們常說的數(shù)據(jù)拼接。經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接的過程，能夠得到很多三維坐標(biāo)。因?yàn)椴扇〉狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)量是非常大的，很多時候?qū)⒈环Q之為海量數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)只可以由特定的軟件進(jìn)行處理。有些技術(shù)人員常用的測繪軟件是無法高效處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的。因此，在將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入前，數(shù)據(jù)抽析工作是非常重要的。若抽析是有規(guī)律的，可以運(yùn)用相關(guān)的軟件來完成。若抽析是沒有規(guī)律的，還需要人工進(jìn)行認(rèn)真的挑選。

4 地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的具體應(yīng)用

現(xiàn)如今，地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中應(yīng)用是非常普遍的，建筑領(lǐng)域高度重視地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，而且從應(yīng)用中已經(jīng)了解到這種掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用，具體包括測算土方量、建立三維模型以及測量竣工等等。同時，地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用，必須要嚴(yán)格依照相關(guān)的流程進(jìn)行，其一，在掃描初期完成儲備。其二，在掃描中全方位采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其三，配準(zhǔn)核對點(diǎn)云信息、其四，分析處理點(diǎn)云信息。

4.1 在地形圖測繪行業(yè)中應(yīng)用

此種技術(shù)主要是為了可以有效解決傳統(tǒng)測量方法不能進(jìn)行測量的問題，例如：在斷臂位置等等，可以采取非接觸性方式來運(yùn)用激光掃描技術(shù)，對被測目標(biāo)的實(shí)際地質(zhì)地形進(jìn)行測量等等，在地形圖測繪中，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的時候，應(yīng)該根據(jù)附近的地質(zhì)地形及各自外界因素，完成數(shù)據(jù)的全面處理及測量，不可以僅僅對一個測量目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息收集，否則這樣容易導(dǎo)致地形圖是不系統(tǒng)和不完整的，也難以對工程施工開展提供系統(tǒng)及正確的數(shù)據(jù)支撐及測量信息。但是需要注意的是在繪制及提取地物中，必須要完成所有信息的體，合理利用三維激光掃描技術(shù)的良好軟件性能，選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)房屋的實(shí)際地點(diǎn)及角度，從而根據(jù)技術(shù)規(guī)范及軟件編程來繪制，根據(jù)公式來計算，進(jìn)而確定最終的比例，確保整個繪制過程能夠順利完成。并且對等高線進(jìn)行計算的時候，要及時排除地質(zhì)地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用自動繪制與人工繪制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的方法，具體能夠采用平均面迭代法來排除無關(guān)緊要的數(shù)據(jù)信息，而且在此前提現(xiàn)計算數(shù)據(jù)，這是一個不斷重復(fù)的過程，只有進(jìn)行很多次的數(shù)據(jù)排除及測算，才可以確保所獲得的地質(zhì)地形數(shù)據(jù)信息是正確的。此外，在成圖編輯和制作環(huán)節(jié)中，這就需要結(jié)合前兩步對地形圖與等高線兩者之間的關(guān)系做出全面分析，并且采用疊加的方式來計算全部新型。將計算所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)新型及實(shí)際收集的照片進(jìn)行對照，進(jìn)而完成人工調(diào)整、校正及核查。總的來說，在地形測繪中應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)，能夠時測繪準(zhǔn)確度得到大幅度提高，更快的獲取地貌的具體特點(diǎn)。

4.2 在土方量計算中的應(yīng)用

地面三維激光掃描激光技術(shù)的重點(diǎn)流程是：首先，完成圖點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的處理，以設(shè)計出合格的基準(zhǔn)面，再剔除地物，并且結(jié)合相關(guān)的計算公式，將土方量計算出來。在該過程中務(wù)必要注意的是與實(shí)際工程進(jìn)行融合，實(shí)時監(jiān)控和準(zhǔn)確計算每個控制點(diǎn)，進(jìn)而提升正確性。例如：在某一個工程中，必須要結(jié)合道路縱橫斷的數(shù)據(jù)信息，計算出土方量，此時在根據(jù)步驟進(jìn)行操作，第一個步驟是采集數(shù)據(jù)信息，主要包括三方面的數(shù)據(jù)信息，主要包括設(shè)計道路的邊坡、縱橫斷以及道路紅線等等。第二個步驟是建立模型，在采集完數(shù)據(jù)信息后，按照有關(guān)技術(shù)來建立曲面模型。第三個步驟是采用外業(yè)掃描數(shù)據(jù)信息來構(gòu)建實(shí)際的地面模型，而且完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。最后，根據(jù)比例將地面模型與曲面模型進(jìn)行增減計算，進(jìn)而快速計算出實(shí)際的土方量。

4.3 在建立三維模型中的應(yīng)用

地面三維激光掃描技術(shù)在建立三維模型中的應(yīng)用，主要有兩大部分，一是紋理映射，二是模型建立。模型建立是結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息來建立的，重點(diǎn)運(yùn)用3Dsmax形式來構(gòu)建模型的，保證其標(biāo)準(zhǔn)化。紋理映射主要是采用數(shù)碼相機(jī)，并且安裝到掃描儀上，進(jìn)而搜集大量的紋理信息，科學(xué)的建立建筑工程模型。

5 結(jié)語

總而言之，地面三維激光掃描技術(shù)是當(dāng)前工程測量中廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測量技術(shù)的創(chuàng)新，能夠進(jìn)行非接觸式測量，更好地適用于復(fù)雜地質(zhì)的高精準(zhǔn)度測量。并且在其他很多行業(yè)中地面三維激光掃描技術(shù)也得到應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用依舊存在一些問題，對于大多數(shù)中小型企業(yè)而言，都沒有能力承擔(dān)昂貴的價格，這樣就會影響該項技術(shù)的普及。因此，地面三維激光掃描技術(shù)還要進(jìn)一步研究，讓地面三維激光掃描機(jī)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，讓其在各個行業(yè)中都可以發(fā)揮出本身的價值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馮耀能.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018（16）：40-41.

[2]劉小陽，高彥笑.地面三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（14）：163-164.