三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

王波濤

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，在當(dāng)前工程測(cè)繪技術(shù)的有效應(yīng)用落實(shí)中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，其表現(xiàn)出來的作用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)也越來越突出，為了更好提升工程測(cè)繪水平，合理運(yùn)用三維激光掃描工程測(cè)繪技術(shù)是比較重要的一個(gè)方面，也應(yīng)該在未來工程行業(yè)發(fā)展中引起高度重視。結(jié)合三維激光掃描工程測(cè)繪技術(shù)的有效落實(shí)運(yùn)用，合理應(yīng)用GPS技術(shù)是比較有效的一個(gè)手段，其應(yīng)該實(shí)現(xiàn)兩者間較為理想的配合，最終提升整個(gè)工程測(cè)繪水平，為工程行業(yè)發(fā)展做出較大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;道路地形測(cè)繪;應(yīng)用

引言

三維激光掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描的操作，同時(shí)直接實(shí)現(xiàn)了建筑物和構(gòu)筑物三維數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)作為正向建模的對(duì)稱應(yīng)用，獲取的數(shù)據(jù)可以直接與地理空間信息庫連接，作為高精度地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)源。當(dāng)前這一技術(shù)主要用于工程測(cè)量、地形測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬可視化、礦區(qū)土方開挖斷面和體積測(cè)量、變形測(cè)量、施工量測(cè)、歷史古跡的調(diào)查與恢復(fù)，以及特殊動(dòng)畫效果的測(cè)量等。

1、三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成與技術(shù)

地面三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，軟件控制平臺(tái)，數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及電源和其他附件設(shè)備共同構(gòu)成，是一種集成了多種高新技術(shù)的新型空間信息數(shù)據(jù)獲取手段。三維激光掃描儀的發(fā)射器通過二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標(biāo)，然后通過探測(cè)器，接收反射回來的激光脈沖信號(hào)，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識(shí)別處理的數(shù)據(jù)信息。三維激光掃描儀對(duì)實(shí)體進(jìn)行掃描時(shí)，獲取了不同對(duì)象對(duì)激光的光射時(shí)間差，從而測(cè)出激光與物體之間的距離，用編碼器來測(cè)量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，最終獲取被測(cè)對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)空間立體坐標(biāo)，得到被測(cè)對(duì)象的離散點(diǎn)集合。這些稱之為“距離影像”或“點(diǎn)云”。所獲取的由點(diǎn)云組成的影像與通常的掃描的柵格影像最大的區(qū)別就是具有可量測(cè)性。激光掃描不需要光源，可以在黑暗中進(jìn)行測(cè)量，因此能夠在夜間和黑暗的作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行掃描。

2、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀，此儀器具有對(duì)中整平功能，是一種全站式三維激光掃描儀，從而可像全站儀一樣架設(shè)在已知點(diǎn)上展開外業(yè)數(shù)據(jù)采集，測(cè)量得到的點(diǎn)云就是真實(shí)的三維坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)首先對(duì)測(cè)區(qū)周圍環(huán)境進(jìn)行觀察，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)，平面控制測(cè)量使用全球定位、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（GPSRTK）或全站儀來完成。高程控制測(cè)量使用水準(zhǔn)儀測(cè)量。在掃描過程中通過在已知控制點(diǎn)上設(shè)站，將每個(gè)站點(diǎn)與其地理坐標(biāo)的關(guān)系設(shè)置好。確定采樣間隔開始掃描。采樣間隔太大，對(duì)后期數(shù)據(jù)處理精度造成影響，采樣間隔太小，采集的點(diǎn)云量龐大，給后期數(shù)據(jù)處理帶來很大麻煩。通視好的情況下，每站的掃描距離在80m左右，保證相鄰測(cè)站間有一定的點(diǎn)云重疊區(qū)。如通視情況不好，適當(dāng)增加掃描站數(shù)，直到目標(biāo)區(qū)域掃描完成為止。

2.2標(biāo)靶和控制點(diǎn)的測(cè)量和分布

在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于三維激光掃描儀與被掃描物體形成的夾角不同，它的空間分辨率也會(huì)隨之變化，這和掃描儀的測(cè)距是有關(guān)系的。一條道路的測(cè)量往往需要多個(gè)測(cè)站來完成，就是因?yàn)椴煌膾呙杈嚯x和點(diǎn)的精度不同，此外還可能有別的障礙物的影響。為了供點(diǎn)云拼接，需要在每個(gè)相連的測(cè)站重合的部位設(shè)置3個(gè)以上且要形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，根據(jù)掃描儀的測(cè)距，將這些測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合在一塊。

2.3精密工程測(cè)量

對(duì)于GPS配合三維激光掃描工程測(cè)繪技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，其同樣還能夠在精密工程測(cè)量中表現(xiàn)出較為理想的作用效果，隨著當(dāng)前工程項(xiàng)目施工建設(shè)要求的提升，相應(yīng)精密性要求也越來越高，尤其是對(duì)于一些相對(duì)而言較為關(guān)鍵的工程項(xiàng)目，更是需要切實(shí)做好工程測(cè)繪工作，確保相應(yīng)工程測(cè)繪能夠表現(xiàn)出理想的高精度，避免三維坐標(biāo)信息出現(xiàn)明顯威脅。結(jié)合這種精密工程測(cè)量工作的落實(shí)，其能更好發(fā)揮GPS配合三維激光掃描工程測(cè)繪技術(shù)的作用價(jià)值，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)于所有地形信息及其坐標(biāo)信息的優(yōu)化，降低可能出現(xiàn)的工程測(cè)繪偏差威脅。在精密工程測(cè)量方面，對(duì)于地面和機(jī)載掃描儀進(jìn)行有效運(yùn)用是比較重要的一個(gè)方面，其確實(shí)能夠表現(xiàn)出較為理想的作用價(jià)值，能夠?qū)崿F(xiàn)最終三維模型的有序構(gòu)建，避免可能出現(xiàn)各類工程測(cè)繪偏差威脅。

2.4處理采集的數(shù)據(jù)

在處理激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候，對(duì)于不在同一站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要嚴(yán)格匹配，其主要有：點(diǎn)石匹配、噪聲的消除、分割、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、圖像的匹配。將其進(jìn)行目標(biāo)構(gòu)模和進(jìn)行定量分析并歸置于一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)。一般采用的方式有下列幾種：①為進(jìn)一步的與其他數(shù)據(jù)同步處理需要在GPS的幫助下，獲得各個(gè)掃描站點(diǎn)的具體坐標(biāo)，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，就可以得出比較準(zhǔn)確的點(diǎn)云地理位置。噪音數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的區(qū)別就是在于它是沒有規(guī)律且不連續(xù)比較雜亂的，可利用這一個(gè)特點(diǎn)將噪聲數(shù)據(jù)迅速剔除掉。分割點(diǎn)石構(gòu)建目標(biāo)模型。作為該地區(qū)的地理樣貌特征信息資料，要截取到清晰的紋理圖像與點(diǎn)石匹配。②若在掃描的時(shí)候多次掃到相同的目標(biāo)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽隙處理，是因?yàn)椴杉降狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)過多而密集，不易于整理歸納，這種方法叫冗。③點(diǎn)云拼接的過程是結(jié)合在每個(gè)測(cè)站得到的數(shù)據(jù)通過設(shè)置在測(cè)站周圍的標(biāo)靶聯(lián)合拼在一起。點(diǎn)云拼接好后，可以利用布置好且測(cè)量正確的三維坐標(biāo)，將其納入到我們使用的平面直角坐標(biāo)系里。④處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在生成等高線的過程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)排除一些非地貌影響的因素后并根據(jù)測(cè)繪的詳細(xì)進(jìn)度做出相應(yīng)的變動(dòng)。在地形測(cè)繪的時(shí)候若點(diǎn)位過于密集且分布不均勻的話那么地面的詳細(xì)信息則不可用三維激光掃描。有些較為煩瑣的細(xì)節(jié)信息會(huì)導(dǎo)致等高線混亂，而這種情況是因?yàn)椴捎昧藪呙椟c(diǎn)構(gòu)造三角網(wǎng)追蹤等值線。⑤對(duì)造成等高線殘缺、變形或者不完整的情況，可以進(jìn)行手動(dòng)修復(fù)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，參考照片的時(shí)候標(biāo)記好高程，形成輪廓后對(duì)其進(jìn)行局部的修改。這種情況的發(fā)生多是在編輯地形圖的時(shí)候，將等高線的圖形和地面物體的圖形重疊在了一起編輯，而有些部分的物體數(shù)據(jù)的刪除后就會(huì)引起這種情況。

3、結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法是具有高效率、高精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，很大程度上幫助完善了測(cè)繪工作，使測(cè)繪工作的開展進(jìn)一步擴(kuò)展提升，相關(guān)數(shù)據(jù)采集較為完整。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭東東.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].經(jīng)緯天地，2016（06）：73-76.

[2]李強(qiáng)，鄧輝，周毅.三維激光掃描在礦區(qū)地面沉陷變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2014，25（01）：119-124.