地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用研究

盧群

（丹江口市城市房地產(chǎn)測量中心 湖北省丹江口市 442700）

0 引言

地面三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)測量到面測量的突破，隨著技術(shù)不斷升級優(yōu)化，其適用性大幅度提升，如今被廣泛應(yīng)用與航天、軍事、醫(yī)學(xué)、能源、交通、汽車、考古等多個領(lǐng)域。對于工程測量來說，想要精確掌握地面數(shù)據(jù)，采用人工的方式不僅測量容易出現(xiàn)誤差，而且效率低下，影響工程建設(shè)方案的科學(xué)制定，同時也不利于大型工程的建造。地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用為工程測量提供了支持，對該方面進(jìn)行研究具有較高的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值?；诖?，本文針對地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用原理、優(yōu)勢、方向進(jìn)行以下探究。

1 地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

地面三維激光掃描技術(shù)主要用來精確記錄地面的三維空間信息，利用激光測距的原理，全方位記錄各個地面點(diǎn)的相對空間位置，從而得到完整的地面全部數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)。將坐標(biāo)以三維影像的方式呈現(xiàn)出來，在計(jì)算機(jī)中用3D數(shù)字模型來實(shí)現(xiàn)還原實(shí)地地物地貌信息，從而為建筑工程方案的制定提供可靠依據(jù)，同時也大大提高了地面測量的精確度與信息的可利用價值[1]。從一定程度上來看，地面三維激光掃描技術(shù)不僅包括掃描儀、數(shù)字成像等硬件設(shè)備，還包括一系列數(shù)據(jù)處理軟件，共同實(shí)現(xiàn)技術(shù)效果。

2 地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的具體步驟

在工程測量當(dāng)中，地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理兩個部分。其中，數(shù)據(jù)采集工作主要包括測量、掃描兩個部分。在測量的過程中，不僅要充分考慮到平面數(shù)據(jù)，同時也要對地面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)掃描的方式有兩種：①三維激光逐步掃描；②標(biāo)靶坐標(biāo)掃描。由于不同的工程測量環(huán)境相差較大，大型工程需要多站掃描才能夠完全覆蓋研究對象，因此在掃描的過程中應(yīng)格外注意拼接縫。為了確保每一站的數(shù)據(jù)掃描能夠順利連接，可采用數(shù)據(jù)拼接的方法，設(shè)置標(biāo)靶數(shù)量，獲得標(biāo)靶的數(shù)據(jù)與空間位置，而后實(shí)現(xiàn)多站掃描圖的拼接[2]。同時，不同的工程測量精度要求不同，在進(jìn)行地面三維激光掃描之前，應(yīng)明確掃描的精確度，使其符合工程標(biāo)準(zhǔn)，防止二次掃描事件的發(fā)生。

從以上地面三維激光掃描步驟可以看出，掃描后的數(shù)據(jù)量十分龐大，需要大量存儲空間與數(shù)據(jù)處理空間。傳統(tǒng)的測繪軟件是無法直接處理掃描數(shù)據(jù)的，需要將大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行與處理工作，無規(guī)則抽析。根據(jù)實(shí)地工程地面勘測的情況，人工篩選數(shù)據(jù)，再進(jìn)行平面圖繪制。平面圖繪制工作的開展需要依賴特定的軟件平臺，結(jié)合圖例，將地面特征表示出來，根據(jù)實(shí)物的比例尺進(jìn)行標(biāo)定。而后結(jié)合高程數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件生成三角網(wǎng)模型，得到3D圖像。完成后的三維圖像可在軟件操作下獲取查看地表斷面的數(shù)據(jù)情況，大大提高了工程測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。

3 地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢

通過對以上地面三維激光掃描的過程進(jìn)行分析，能夠看出該技術(shù)具有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下四個方面：

（1）測量精度較高。盡管該技術(shù)在我國的應(yīng)用范圍有限，在多個行業(yè)的應(yīng)用仍舊處于探索階段，但通過在工程測量方面的實(shí)際使用，其測量精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人工測量，完全滿足我國在大工程建設(shè)過程中對測量精度的要求，符合絕大多數(shù)情況下地面測量的標(biāo)準(zhǔn)，測量后的數(shù)據(jù)具有較高的應(yīng)用價值。

（2）測量包含的信息量較大。相對于傳統(tǒng)的工程測量數(shù)據(jù)來說，地面三維激光掃描技術(shù)需要對全空間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，得到大量的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這對于城市建立完成的地面信息數(shù)據(jù)庫具有重要價值，為城市空間規(guī)劃等行業(yè)的發(fā)展提供有利信息，無需再進(jìn)行二次地面勘察。

（3）數(shù)據(jù)采集過程安全可靠。對于高速公路、立交橋等工程地面測量來說，傳統(tǒng)的測量方式具有較強(qiáng)的危險性，技術(shù)人員需要在危險的環(huán)境中集中注意力作業(yè)，才能夠準(zhǔn)確采集到的測量數(shù)據(jù)。由于該技術(shù)的非接觸性，從根本上提高了測量效率，節(jié)省了人力，保障了技術(shù)人員的生命安全。

（4）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，信息應(yīng)用價值高。相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式來說，采用地面三維激光掃描數(shù)據(jù)建模更加直觀，能夠迅速生成橫斷面、縱斷面圖，從根本上加快了數(shù)據(jù)處理的效率，減少了大量的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理工作流程。同時，三維模型的應(yīng)用價值較高，可在工程建設(shè)過程中反復(fù)對比查看，尋找解決方案。

4 地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用方向

通過對地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理、優(yōu)勢進(jìn)行分析，筆者結(jié)合當(dāng)下該技術(shù)的具體應(yīng)用情況，對其在工程測量中的應(yīng)用方向進(jìn)行展望。

4.1 在交通工程中的應(yīng)用

對于交通工程來說，地面測量數(shù)據(jù)至關(guān)重要。采用該技術(shù)對道路的情況進(jìn)行掃描，從獲得的數(shù)據(jù)中獲取道路信息，加上實(shí)地地質(zhì)環(huán)境勘測，能夠在很大的呈上確保交通工程的順利建設(shè)，避免出現(xiàn)大的漏洞與缺陷，提高工程建設(shè)方案的適用性與可行性。隨著我國城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，交通工程的復(fù)雜程度顯著增加，城市空間地下管道、線網(wǎng)復(fù)雜，采用地面三維激光掃描技術(shù)能夠提高工程建設(shè)的可靠性，及時發(fā)現(xiàn)管道、線網(wǎng)存在的異常情況，及時對方案進(jìn)行調(diào)整，加快交通工程的建設(shè)。

4.2 在建筑測量中的應(yīng)用

城市化建設(shè)當(dāng)中，大多建筑翻修、保護(hù)工程需要精密測量。對于建筑自身來說，采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)與測量儀器，往往實(shí)際得出的測量數(shù)據(jù)與實(shí)際效果相差較大，需要人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，來減小圖紙與實(shí)際測量的誤差。尤其是在古建筑修復(fù)方面，大多古建筑建設(shè)時間較長，結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，采用常規(guī)建筑測量手段難度較大，準(zhǔn)確性較低，影響古建筑修復(fù)設(shè)計(jì)和施工的順利開展。采用地面三維激光掃描技術(shù)，可對建筑空間進(jìn)行全方面的掃描與測量，按照標(biāo)準(zhǔn)建筑數(shù)據(jù)對古建筑結(jié)構(gòu)變形的情況進(jìn)行檢測和分析，制定最佳的修復(fù)方案，達(dá)到保護(hù)建筑，延長建筑使用壽命的目標(biāo)。

4.3 在工程變形監(jiān)測中的應(yīng)用

對于大型電站、長隧道、大壩等工程來說，其工程建筑是否存在嚴(yán)重變形直接影響著人民生命和財產(chǎn)的安全。一旦長隧道、大壩等長期缺少監(jiān)測，變型嚴(yán)重出現(xiàn)崩塌，將造成人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，影響人們的正常生活。工程竣工后，采用三維激光掃描技術(shù)定期對工程掃描監(jiān)測，可以獲取海量的工程表面三維數(shù)據(jù)，作進(jìn)一步的分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)其潛在的安全隱患，調(diào)整維護(hù)方案。與基于全站儀或GPS的變形監(jiān)測相比，其數(shù)據(jù)采集效率較高，且獲得海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了測量技術(shù)的從點(diǎn)到面的飛躍，有效地避免了以往基于變形監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果所帶有的局部性和片面性。由此可以看出，該技術(shù)不僅在工程測量當(dāng)中具有重要作用，更是能夠確保建設(shè)工程的順利運(yùn)行。

5 結(jié)論

綜上所述，通過對地面三維激光掃描技術(shù)在工程檢測中的應(yīng)用原理、優(yōu)勢、具體步驟以及未來應(yīng)用前景等進(jìn)行分析，能夠看出該技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，能夠應(yīng)用在多種建筑工程當(dāng)中，適用多個行業(yè)和領(lǐng)域。工程測量人員應(yīng)注重該技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，探索更多的技術(shù)應(yīng)用方法，提高技術(shù)的應(yīng)用價值，注重技術(shù)的優(yōu)化升級，使其更加符合我國工程測量的現(xiàn)狀，強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用效果，讓該技術(shù)融入到工程建設(shè)的全過程當(dāng)中去，確保大型建筑工程的順利實(shí)施，為工程設(shè)計(jì)施工運(yùn)營提供技術(shù)支持。