地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)分析

李永超，吳 橋

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 銅仁 554300）

隨著近年來(lái)地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)進(jìn)一步解決了上述傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)獲取方法得缺點(diǎn)。下文將通過(guò)地面三維激光掃面測(cè)量技術(shù)的工作原理、應(yīng)用及其應(yīng)用前景進(jìn)行詳細(xì)的描述。

1 地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的工作系統(tǒng)及工作原理

1.1 工作系統(tǒng)

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀旋轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、數(shù)據(jù)控制平臺(tái)等構(gòu)成。其中三維激光掃描儀目前應(yīng)用較為廣泛的有TOF脈沖測(cè)距法，根據(jù)其技術(shù)規(guī)格可劃分為典型地面三維激光掃描毫米級(jí)儀器裝備和近距離的微米級(jí)儀器裝備。利用三維激光技術(shù)，可在復(fù)雜的環(huán)境場(chǎng)地下進(jìn)行工作，對(duì)一些不規(guī)則、結(jié)構(gòu)面較多以及具有多個(gè)不規(guī)則面的三維實(shí)體進(jìn)行測(cè)量，可對(duì)空間內(nèi)點(diǎn)、線、面、體進(jìn)行高精度的測(cè)量，進(jìn)而快速且較高精度的構(gòu)建出空間標(biāo)準(zhǔn)的或者不標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體。同時(shí)，利用三維激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制和處理平臺(tái)，對(duì)三維實(shí)體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)用戶所需，提取對(duì)其所需的空間三維數(shù)據(jù)，對(duì)其實(shí)體進(jìn)行三維建模和繪圖。譬如應(yīng)用在在地形測(cè)量、工業(yè)應(yīng)用、跌路建設(shè)等方面。

1.2 工作原理

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)工作原理主要是利用光的反射原理。具體工作原理如下：第一，利用三維激光掃描儀中的激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)；第二，激光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)棱鏡，照射在被測(cè)的目標(biāo)物體上；第三，通過(guò)探測(cè)器接收由目標(biāo)物體最終發(fā)射回來(lái)的脈沖激光信號(hào)；第四，通過(guò)記錄器記錄發(fā)射回來(lái)的脈沖激光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為可直接識(shí)別處理的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息；第五，通過(guò)軟件對(duì)其可直接處理的目標(biāo)三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析建模，模擬出實(shí)體的三維模型。其工作原理圖如圖1。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

2 地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)作為目前先進(jìn)的三維空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，在諸多方面有著較為廣泛地應(yīng)用。其主要應(yīng)用于空對(duì)地的觀測(cè)和工業(yè)測(cè)量中，譬如在地形地貌的測(cè)量、道路施工測(cè)繪、橋梁設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)等諸多方面。除此之外，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)還應(yīng)用于考古、核電站、建筑業(yè)、醫(yī)學(xué)、水利、能源等諸多方面。

2.1 礦山測(cè)量

人類的發(fā)展和生存離不開礦山資源，合理且有效的利用礦山資源對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步和建設(shè)有著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，礦山資源對(duì)國(guó)家發(fā)展起到極大的作用。如何對(duì)礦山開采設(shè)備、工業(yè)實(shí)施區(qū)、以及礦山地面測(cè)量等進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量關(guān)系到整個(gè)礦山開采的命運(yùn)。但由于礦山環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)很難滿足其發(fā)展的需求。因此，在礦山測(cè)量中，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)有著極其重要的作用。地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可以利用激光分段掃描，獲取復(fù)雜實(shí)體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬拼接等，從而構(gòu)建出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則或規(guī)則的工業(yè)廠區(qū)、工業(yè)設(shè)備等三維可視化模型和圖件，譬如石油廠、化工廠、煤礦管井布置等。

2.2 道路工程測(cè)繪

由于傳統(tǒng)的道路測(cè)繪在信息提取方面較為單一，導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果存在一定誤差，且測(cè)量技術(shù)也有較大缺陷。通過(guò)利用地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，在道路測(cè)繪方面實(shí)現(xiàn)了較為重大的突破，為道路測(cè)量者提供了更便利準(zhǔn)確的技術(shù)，在道路測(cè)量中在下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了突破。第一，在道路掃描方面，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面進(jìn)行高密度且均勻的掃描，使其掃描數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。第二，在采集外業(yè)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)布置和測(cè)量標(biāo)靶及不同控制點(diǎn)，合理設(shè)置掃描距離，并對(duì)采樣間隔進(jìn)行合理設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和高精度性。第三，利用地面三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可對(duì)道路三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的處理，進(jìn)而模擬出更為真實(shí)的道路可視化模型和圖件。

2.3 地鐵隧道斷面測(cè)量

地鐵隧道在施工完成后，要對(duì)其斷面測(cè)量，因此，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在其斷面測(cè)量中有極其重要的作用。其相比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，地鐵和隧道的建設(shè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有極其重要的作用，同時(shí)其運(yùn)行安全是首要地位。因此，在地鐵隧道斷面測(cè)量中，其數(shù)據(jù)的精確性和準(zhǔn)確性要求極高。地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，通過(guò)高密度、均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)其實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，從而使得測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性大為提高。第二，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)通過(guò)非接觸式測(cè)量，從而消除了在測(cè)量過(guò)程中對(duì)其斷面的損傷，減少了資源消耗。

2.4 工程檢測(cè)

工程監(jiān)測(cè)對(duì)工程的運(yùn)行和管理起到至關(guān)重要的作用，工程監(jiān)測(cè)影響到整個(gè)工程的安全運(yùn)行，同時(shí)也關(guān)乎到人民財(cái)產(chǎn)的安全和國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在工程監(jiān)測(cè)方面，地面三維激光掃描技術(shù)起到了重要的作用。其在滑坡監(jiān)測(cè)、橋梁監(jiān)測(cè)、建筑物形變監(jiān)測(cè)、油氣設(shè)備形位監(jiān)測(cè)等方面均有所應(yīng)用。將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)方面其優(yōu)點(diǎn)在于，能過(guò)更加準(zhǔn)確的對(duì)工程的形變、位移等進(jìn)行觀測(cè)，有利于工程管理者更早的發(fā)現(xiàn)工程在運(yùn)行過(guò)程中存在的隱患，從而及時(shí)排查和修復(fù)，避免或降低工程在運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的潛在危害和危害。同時(shí)，也可對(duì)滑坡等自然地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免或減輕自然災(zāi)害對(duì)人民財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的危害等現(xiàn)象。

3 應(yīng)用前景分析

由于地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)相比其他傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)有較大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在其利用高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和非接觸式測(cè)量方法，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理分析，生成高精度可視化的三維圖像和圖件。提高了空間三維數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)獲取的高效性。

4 結(jié)語(yǔ)

地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)相比傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)有著較大的優(yōu)越性，可用高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及以及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)復(fù)雜、不規(guī)則等空間實(shí)體進(jìn)行高精度的測(cè)量等。目前，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。譬如工程工業(yè)測(cè)量、工程檢測(cè)、醫(yī)學(xué)、考古、林業(yè)測(cè)量、核工業(yè)、水利、能源等方面。除此之外，隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)市場(chǎng)的需求以及地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)本身的優(yōu)越性。因此，在未來(lái)社會(huì)市場(chǎng)中，地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)有著更大、更好的發(fā)展空間。