Trimble TX8三維激光掃描儀在山地面積計(jì)量中的應(yīng)用

谷田平

(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000；2.國(guó)家水表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 鄭州 450000)

山地地形測(cè)繪和面積計(jì)量一直是測(cè)繪和計(jì)量工作者難以完善解決的問(wèn)題，山地地形面積、體積測(cè)繪計(jì)量環(huán)境復(fù)雜，干擾因素眾多，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，致使許多山地表面積及相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)法高效準(zhǔn)確地獲得，這就為光學(xué)測(cè)繪計(jì)量提出了更高的要求。三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的新技術(shù)，又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)[1]。其通過(guò)激光高速掃描測(cè)量的方法，高分辨率大范圍地快速獲取被測(cè)對(duì)象的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。目前其在文物建設(shè)數(shù)字化還原保護(hù)，工業(yè)測(cè)量搬遷，土木工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多，較少應(yīng)用于大面積山地測(cè)量，本文通過(guò)利用Trimble TX8三維激光掃描儀對(duì)某山地進(jìn)行三維掃描建模，可以高效準(zhǔn)確地獲得該山地表面積計(jì)量數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維模型圖，進(jìn)一步拓展了三維激光掃描儀的應(yīng)用實(shí)例。

1 Trimble TX8三維激光掃描儀工作技術(shù)原理

三維激光掃描儀如圖1所示，與全站儀工作原理相似，用微電機(jī)進(jìn)行水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)，用激光作為光源進(jìn)行測(cè)距[2-8]。在儀器工作過(guò)程中，首先通過(guò)利用測(cè)量水平角的反射鏡和測(cè)量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)生體發(fā)出的窄帶激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)領(lǐng)域，測(cè)距模塊逐一測(cè)量激光脈沖的空間距離，同時(shí)掃描控制模塊和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的水平角和天頂距[9-15]，最后按空間極坐標(biāo)構(gòu)建分析計(jì)算出掃描的激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)。

圖1 Trimble TX8三維激光掃描儀

Trimble TX8具有360°×317°的視場(chǎng)掃描角和每秒1 000 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度，可以在3 min內(nèi)完成一次典型的測(cè)量測(cè)繪任務(wù)。TX8在其整個(gè)120 m量程范圍內(nèi)均可以保持高準(zhǔn)確度測(cè)量，同時(shí)，在進(jìn)一步升級(jí)配置后，其測(cè)程更可擴(kuò)展至340 m。通過(guò)Trimble TX8三維激光掃描儀及Trimble自行開(kāi)發(fā)的Trimble Realworks點(diǎn)云處理軟件的結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)各類(lèi)地形測(cè)繪及拼接建模，進(jìn)一步獲取相關(guān)的信息數(shù)據(jù)。

2 Trimble TX8三維激光掃描儀山地測(cè)量三維建模應(yīng)用

對(duì)規(guī)則幾何形狀且分割面少的地形環(huán)境，傳統(tǒng)的面積測(cè)量可以較為準(zhǔn)確、高效地測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)，但對(duì)于山地特別是有遮擋物和梯田及其他復(fù)雜地形的測(cè)量，想要達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，具有良好的復(fù)現(xiàn)性，則會(huì)效率極低，本次測(cè)量的地形如圖2所示。

圖2 山地面積計(jì)量三維建模

測(cè)量的面積為整個(gè)山體的表面積，包括梯田斜坡面積等，對(duì)于近10萬(wàn)m2的地形測(cè)量而言是極為復(fù)雜的。如果采取傳統(tǒng)方法通常需要5～8個(gè)工作日完成，且不能完整地繪出山地模型，復(fù)現(xiàn)性差且準(zhǔn)確度不高。而利用Trimble TX8三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，可以充分發(fā)揮其計(jì)量準(zhǔn)確度高，捕捉信息全等特點(diǎn)，并能進(jìn)行有效的三維建模，分析出等高線(xiàn)，利用三角格體積面積計(jì)算法求出整個(gè)計(jì)算區(qū)域的體積值和表面積值。本次測(cè)量采用Trimble TX8三維激光掃描儀進(jìn)行掃描建模，共架設(shè)了32個(gè)站點(diǎn)，如圖3所示，對(duì)細(xì)節(jié)部分采取密集架站模式，全程共架設(shè)站點(diǎn)32處，采集有效數(shù)據(jù)100多億個(gè)，利用Realworks對(duì)各架站數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際拼接，得到三維建模圖。

圖3 架站位置布置圖

3 山地三維建模分析計(jì)算與傳統(tǒng)測(cè)量方法的分析比較

本次測(cè)量通過(guò)圍尺和全站儀分別進(jìn)行了不同測(cè)量點(diǎn)的周長(zhǎng)計(jì)算，得到周長(zhǎng)數(shù)據(jù)與三維激光掃描法數(shù)據(jù)比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 不同測(cè)量方法山地周長(zhǎng)對(duì)比 mm

從表1中可以看出，運(yùn)用Trimble三維激光掃描儀測(cè)量計(jì)算出的周長(zhǎng)與普通測(cè)量方法測(cè)量的數(shù)據(jù)比較接近。山地周長(zhǎng)與表面積測(cè)量均與測(cè)量點(diǎn)數(shù)量相關(guān)，在進(jìn)行山體表面積計(jì)算測(cè)量中，結(jié)合天寶自行開(kāi)發(fā)的Realworks進(jìn)行三角網(wǎng)格化建模分析計(jì)算面積，創(chuàng)建三角網(wǎng)格8000余個(gè)，并計(jì)算出山地表面積為93 875.862 m2，如圖4所示。另外運(yùn)用全站儀分別進(jìn)行架站測(cè)量，并通過(guò)對(duì)整個(gè)山地進(jìn)行人為三角網(wǎng)絡(luò)分隔進(jìn)行山地表面積計(jì)算，并對(duì)不同個(gè)數(shù)的三角網(wǎng)絡(luò)分隔計(jì)算出山地表面積，與三維激光掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 全站儀不同網(wǎng)格數(shù)與三維激光掃描儀山地表面積計(jì)算的數(shù)據(jù)比較

圖4 三角網(wǎng)格法表面積計(jì)算建模

從表2可見(jiàn)，全站儀人工三角網(wǎng)格劃分的數(shù)量越多，與三維激光掃描儀利用Realworks計(jì)算得到的山地表面積越接近，這為三維激光掃描儀進(jìn)行復(fù)雜山地表面積計(jì)量的準(zhǔn)確性給予了很好的驗(yàn)證。三維激光掃描儀三維建模中每一個(gè)可顯示點(diǎn)均為一個(gè)基本數(shù)據(jù)單元，從中可以進(jìn)行較為全面的理論數(shù)據(jù)分析，在給予直觀(guān)三維模型的基礎(chǔ)上，大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和分析的多元性。

4 結(jié) 語(yǔ)

從本文Trimble TX8在山地面積計(jì)量中的應(yīng)用可以看出，三維激光掃描儀具有掃描速度快，三維建模還原度高，數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確高效，建模過(guò)程簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)，而且可利用其配套軟件進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理，從而得到多維度的建模圖形和數(shù)據(jù)報(bào)表，拓展了其應(yīng)用模式和分析能力，為三維激光掃描在復(fù)雜環(huán)境地形中的進(jìn)一步深入應(yīng)用提供了借鑒，也為大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)建模提供了良好的技術(shù)支撐。