Trimble SX10三維激光掃描儀在土木工程中的應用

郭韓

摘要：三維激光掃描技術在土木工程中有著廣泛的應用前景。本文介紹了最新的Trimble SX10地面三維激光掃描儀的主要功能特點并與類似的儀器進行了對比，然后對利用其完成工程項目的主要作業(yè)流程進行了分析，為其在工程中的實際應用打下基礎。

Abstract： Three-dimensional laser scanning technology has broad application prospects in civil engineering. This article introduces the main functional characteristics of the latest Trimble SX10 3D laser scanner and compares it with similar instruments， and then analyzes the main workflow of using it to complete engineering projects， laying a foundation for its practical application in engineering.

關鍵詞：三維激光掃描;工程測量;作業(yè)流程

Key words： 3D laser scanning;engineering surveying;work flow

中圖分類號：P225.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0193-02

1 ?三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描技術作為一種新的測量技術能夠快速的獲取目標的表面特征，并與常規(guī)全站儀一樣通過以點帶面的形式模擬出目標的整體特征。與常規(guī)測量中測量點的數(shù)量少，特征信息不全面不同，三維激光掃描技術能獲得大量的點云數(shù)據(jù)，非常有利于建模重構。在本世紀初，三維激光掃描技術便在人們的生產生活中得到了廣泛的應用。該技術被認為是繼GPS測量技術之后測量行業(yè)的又一項重要的技術革新。其能夠實現(xiàn)效率高、自動化的獲取目標大量點云數(shù)據(jù)，成為了獲取目標表面數(shù)據(jù)，重建目標三維模型的重要方法。

三維激光掃描技術綜合了許多現(xiàn)有的技術，例如全站儀的測角測距技術，攝影獲取目標表面紋理的技術，以及制圖軟件的點線面體模型構建等。常見的三維激光掃描儀一般由三個部分構成，激光測距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)以及相應的支持系統(tǒng)，另外有些三維激光掃描儀還集合數(shù)字攝影系統(tǒng)。三維激光掃描儀的工作原理為發(fā)射器發(fā)射激光，到達被測目標表面后反射回來，再由接收器接收反射光。通過測量激光往返的時間以及旋轉角來測量到目標的距離和激光發(fā)射束的角度。傳統(tǒng)的測量儀器一般作業(yè)過程復雜，工作量大，需要多名技術人員配合。而三維激光掃描儀則克服上述缺點，具有作業(yè)簡單，掃描方面，單人操作等優(yōu)點。利用其在土木工程建設的各個階段都有著廣泛的應用前景。

2 ?Trimble SX10三維激光掃描儀

2.1 Trimble SX10的特點

作為新一代的地面三維激光掃描儀，Trimble SX10由天寶公司在2016年推出，除了激光掃描的功能之外，該儀器還具有基礎測量和攝影等功能，為土木工程的專業(yè)技術人員構建了新的工程解決方案。該三維激光掃描儀的主要特點如下：

①掃描速度快，每秒可掃描點的數(shù)量為26600個，其掃描距離達到600m;

②在設站和點云拼接上，可無需反射靶標，利用控制點完成，其精度和效率高;

③除了掃描功能，還集成了測量和影像的功能，可以完成常規(guī)全站儀的測量功能，同時利用其影像系統(tǒng)獲取工作區(qū)域的高清影像;

④在強大的數(shù)據(jù)處理軟件的支持下，能夠快速地進行數(shù)據(jù)處理和成果輸出。

2.2 Trimble SX10的掃描設置

Trimble SX10被設計為一種創(chuàng)新設備，將全站儀功能與強大的激光掃描儀功能相結合。由于其特殊的設計和容量，它甚至可以被視為具有全站儀測量設備的激光掃描儀而不是相反。實際上，Trimble SX10掃描速率趨近于傳統(tǒng)激光掃描儀的掃描速率。

Trimble SX10可以非常及時地獲取場景的密集點云，可以由用戶直接選擇要掃描的區(qū)域，而無需預先執(zhí)行用于選擇的360°預覽點云。通過在觸摸屏上點擊四種可能的特性來定義該區(qū)域，可以執(zhí)行密集點云的全圓采集，以獲得360°的最大視野的周圍環(huán)境的全局概覽。但是用戶還可以根據(jù)三種其他的幀選擇觀察窗口：由上下限制的兩個點定義的帶，由兩個點定義的矩形或具有更復雜形狀的多邊形。在構成要掃描的目標區(qū)域之后，可以修改其他設置，例如點密度，四點密度對應于掃描線從粗到超密度的略微移位的1，2，4或8個通道。參數(shù)化的最后一個設置是用于著色點云的相機的選擇，以及這些圖片之間的重疊。使用Trimble SX10進行點云采集時的寶貴資產是可視化現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)。使用Trimble Access軟件可以查看捕獲的點云，并且可以根據(jù)與之相關的掃描站用真實顏色，強度值或每次掃描一種顏色來顯示它們。還可以在平板電腦放大捕獲的點云，這在現(xiàn)場是有重要價值，確保調查區(qū)域中沒有丟失的部分。

2.3 Trimble SX10與其他掃描設備

除了天寶公司推出的Trimble SX10新一代激光掃描儀之外，其他測量儀器制造商也推出了類似的硬件產品。如拓普康公司推出的Topcon IS-3產品，該產品在創(chuàng)建360°全景圖的基礎上，還提供速率為20點每秒的簡單掃描功能。這意味著可在定義的窗口區(qū)域中沿用戶指定的間隔捕獲點，在測量和輸入過程中無需用戶針對每個點進行干預。

除此之外，徠卡公司也推出了具有掃描功能的設備如Leica MS50或MS60，該設備與Trimble SX10相似，能夠高效地進行掃描。而它們的一大優(yōu)勢則是測量所有點可在同一個唯一參考系統(tǒng)中進行協(xié)調。與Leica MS50/MS60相比，Trimble SX10 有著更高的掃描速率，這是由于SX10設備上沒有望遠鏡，取而代之的是安裝攝像頭并使用相應的遙控器進行控制。Trimble SX10與其他地面三維激光掃描設備對比如表1所示。

3 ?Trimble SX10的作業(yè)流程

3.1 控制網(wǎng)建立

控制網(wǎng)建立的目的是實現(xiàn)整個掃描區(qū)域的坐標統(tǒng)一，在設計控制網(wǎng)時需要結合項目需求精度來進行。Trimble SX10由于集成了常規(guī)全站儀的功能，故可以采用全站儀設站的方式完成設站工作，其設站精度高。在布設控制網(wǎng)時，為能夠根據(jù)項目現(xiàn)場情況進行掃描儀的定向并掃描規(guī)定區(qū)域，需要仔細考慮設備的設站位置。

3.2 點云掃描

為了獲取符合精度要求的，完整的目標點云數(shù)據(jù)，為后續(xù)建模打好基礎，需要進行點云掃描。在做好前期準備工作之后，Trimble SX10三維激光掃描儀在設站點進行掃描的主要過程如下：

①儀器架設。在選定好的設站位置架設儀器，對相關的配件進行連接，并完成對中整平等基本工作。

②儀器設站。利用已知的控制點，利用自由設站法進行定向和設站。

③點云掃描。利用平板電腦控制掃描儀，對工程的文件名、存儲位置、掃描范圍及分辨率等信息進行參數(shù)設置，確定無誤之后開始掃描工作。

④數(shù)據(jù)檢查與換站。單站掃描結束之后，對點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的質量進行檢查，確保數(shù)據(jù)合格。若不合格則需重新掃描，若檢查合格則可換站繼續(xù)掃描。

3.3 數(shù)據(jù)處理和建模

獲取點云數(shù)據(jù)之后，其數(shù)據(jù)處理過工作主要是利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模。利用點云數(shù)據(jù)建模的主要過程包括點云拼接、去噪、精簡、構建三角網(wǎng)，曲面擬合以及貼紋理等。由于被掃描的目標由多個測站的點云數(shù)據(jù)得到，此時為了將點云數(shù)據(jù)融合為一個整體需要進行點云拼接。為保障點云數(shù)據(jù)的精度和準確性，一般需要進行預處理工作對點云數(shù)據(jù)進行去噪和精簡。點云去噪的方法包括雙邊濾波、高斯濾波、分箱去噪、直通濾波、隨機采樣一致性濾波等。去噪后的點云數(shù)據(jù)量仍然很大，會降低數(shù)據(jù)處理的的效率，故一般需要對點云數(shù)據(jù)進行精簡，縮減數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)建模速度。點云去噪及精簡完成之后，可在其基礎上構建三角網(wǎng)曲面，并通過編輯、修補、縮減分、割以及設置相應的參數(shù)、柵格化。完成上述操作之后即可通過曲面擬合建立完整的模型，但是此時的模型缺乏真實目標的表面紋理信息，仍需要通過對目標表面拍攝的影像完成貼紋理的操作。

目前利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的商業(yè)軟件較多，可快速完成建模過程，比如天寶公司自帶的TBC點云模塊就可以將Trimble SX10三維激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)快速構建成相應的三維模型。

4 ?結束語

三維激光掃描技術在土木工程領域有著廣泛的應用前景，本文主要概述了Trimble SX10三維激光掃描儀的主要功能，與其他的類似設備進行了對比，進而分析了利用Trimble SX10設備進行三維建模的主要流程。Trimble SX10作為最新一代的三維激光掃描設備，在土木工程測量中有著較強的競爭力。

參考文獻：

[1]馬自軍，譙生有，聞道榮.三維激光掃描儀在隧道工程施工中的應用[J].測繪通報，2020（03）：157-159.

[2]趙佳楠，陳瑤.三維激光掃描技術支持下的地鐵工程測量實施方法[J].價值工程，2020，39（02）：210-211.

[3]盧群.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用研究[J].建材與裝飾，2020（01）：230-231.

[4]紀思源，談嶸，蒲樺軍.三維激光掃描在地下空間測繪中的應用[J].城市勘測，2019（06）：64-67.

[5]陳偉.三維激光掃描測量技術在變形監(jiān)測中的應用[J].地理空間信息，2019，17（07）：103-106，11.

[6]鄧明鏡，黃海闊，李昌義，蒲小聰.基于MS60的BIM模型放樣方法研究[J].城市勘測，2019（01）：147-149.