地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

摘要：在工程測量中使用傳統(tǒng)的方式不僅會降低測量工作效率，而且還會降低測量的準(zhǔn)確度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地面三維激光掃描技術(shù)屬于一種新型測量方式，已經(jīng)在不同測量領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，具有測量速度快、精準(zhǔn)度高、操作方式等優(yōu)勢，于是文章將其運用到工程測量中進(jìn)行分析，目的在于促進(jìn)我國工程測量的發(fā)展，增加其精確度和效率。首先分析了三維激光掃描技術(shù)的分類和原理，然后將地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行分析，分別在土方量計算、道路竣工測量、地形圖測繪和三維建模四個方面進(jìn)行應(yīng)用?？傊孛嫒S激光掃描技術(shù)性能優(yōu)異、功能強大，能夠在工程測量中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描技術(shù);工程測量;應(yīng)用

中圖分類號：P225.2;TU198+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0094-04

三維激光掃描技術(shù)中包含伺服馬達(dá)和掃描電鏡，使用激光進(jìn)行掃描，然后能夠得到不同點的三維坐標(biāo)和紋理信息，根據(jù)這些信息數(shù)據(jù)能夠獲得精確度較高的三維模型[1-2]。該技術(shù)的強大功能在測繪領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用。如今地面三維掃描技術(shù)被越來越重視，屬于一種新型測量方式，在大壩變形監(jiān)測、地形測繪、文物保護(hù)測繪等領(lǐng)域中有著重要作用，能夠提高測繪效率和準(zhǔn)確度[3-4]。如今工程測量如果還是用傳統(tǒng)的測繪方式將會很難得到更加精準(zhǔn)的模型，而且效率還很低，所以文章將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于工程測量中，并且分析在工程測量的不同方面進(jìn)行使用，目的在于提高工程測量的工作效率和準(zhǔn)確度，從而促進(jìn)我國工程測量的發(fā)展。

1 三維激光掃描技術(shù)的分類及原理分析

按照測量方式可以將地面三維激光掃描技術(shù)分為移動式激光掃描技術(shù)和固定式激光掃描技術(shù)[5]。固定式三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，使用頻率更加頻繁，該技術(shù)比較類似于全站儀，但是又與全站儀不同，不同之處在于該技術(shù)獲取的“點云”數(shù)據(jù)，而且具有精度高、范圍廣、速度快的特點，其野外操作方式比較簡單。另外一個類別的掃描技術(shù)是以車載平臺為基礎(chǔ)，這種技術(shù)還出于探索階段，所以其應(yīng)用沒有固定式激光掃描技術(shù)廣泛。

三維激光掃描技術(shù)的核心原理就是通過使用激光進(jìn)行測量距離，如圖1所示，當(dāng)其處于工作狀態(tài)時，就會不斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理[6]。通過使用激光，然后得到掃描反射接收的激光強度，然后對其進(jìn)行匹配顏色灰度。三維激光掃描技術(shù)中使用的激光掃描儀就是以其內(nèi)部為坐標(biāo)原點，然后對目標(biāo)進(jìn)行掃描，一般情況下，將X軸和Y軸作為目標(biāo)的水平面，其中Y軸就是掃描方向，Z軸就是垂直方向，于是可以得某點的坐標(biāo)為，該坐標(biāo)的計算公式如圖1所示。

2 三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

在應(yīng)用過程中，首先需要了解地面三維激光掃描技術(shù)的工作流程，即掃描前的準(zhǔn)備階段和點云數(shù)據(jù)的獲取階段、配準(zhǔn)階段、處理階段，所以其流程一共包含4個階段，其中處理階段主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、簡化和編輯[7]。然后文章將固定式三維激光掃描技術(shù)在工程測量的4個不同方向中進(jìn)行應(yīng)用，分別為地形圖測繪、竣工測量、土方量計算和三維建模，具體應(yīng)用方式如下。

2.1 地形圖測繪中的應(yīng)用

由于我國地形復(fù)雜，存在斷臂或者懸崖等區(qū)域很難通過常規(guī)測繪方式獲取，于是可以通過使用固定式三維激光掃描技術(shù)對復(fù)雜地形進(jìn)行測繪。使用該方式對地形圖進(jìn)行測繪的主要過程為首先在點云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)之上，然后獲取相關(guān)要素的特征點，最后對這些特征點進(jìn)行編輯，就能夠得到地形圖，其具體流程如下：

1）特征點提取和繪制。特征點提取就是將地面的特殊物體進(jìn)行提取，其中需要使用到地面三維激光掃描技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理部分，通過人工提取電線桿中心點、建筑物角點等位置，然后將獲取的特征點安裝相關(guān)的格式進(jìn)行傳輸，目的在于將其傳到大比例尺數(shù)字測圖軟件中，于是可以通過該軟件進(jìn)行地物測繪。

2）等高線生成。完成地物測繪之后，其中會存在某些不滿足要求的地物或者植被等，所以需要將這部分的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，這種清除方式最好是將人工和自動相結(jié)合進(jìn)行使用，能夠增加準(zhǔn)確度，圖2即為非地貌數(shù)據(jù)剔除圖。在數(shù)據(jù)剔除過程中可以使用平均面迭代法，使用該方式的主要操作流程為首先將非常明顯的非地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，剩下的數(shù)據(jù)就比較難以觀察，所以將所有數(shù)據(jù)平均面進(jìn)行計算，然后將距離該平均面比較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，此時還不足以刪除所有的非地貌數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行迭代，一般情況下需要迭代5-6次，才能夠獲得精確度比較高的地貌數(shù)據(jù)。

通過上述操作之后，會存在點位分布不均勻、點位密度比較大的缺陷，所以就會造成等值線效果比較差。所以還需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其滿足地形測繪的要求，使用的方式為自動抽稀[8]。然后再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖袕亩詣由傻雀呔€，結(jié)果如圖3 （b）所示，圖3（a）表示的傳統(tǒng)等高線，通過2種方式獲取的等高線圖可知，使用三維激光掃描技術(shù)得到的等高線具有更好的表現(xiàn)效果，其可靠度和精確度都有所提高，當(dāng)然反應(yīng)實際地形將會更加準(zhǔn)確。

3）編輯成圖。上述步驟獲得的等高線會存在局部缺失、不光滑、扭曲等現(xiàn)象，所以需要進(jìn)行編輯成圖處理。其操作方式就是將等高線圖和地物圖形進(jìn)行疊加，然后發(fā)現(xiàn)其中存在的不足現(xiàn)象，然后對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和編輯，然后在圖中標(biāo)上標(biāo)志，對圖形進(jìn)行整飾即可。

在地形圖測繪中使用地面三維激光掃描技術(shù)能夠獲得精度更高的地貌特征，而且還可以降低采集數(shù)據(jù)的工作強度。

2.2 土方量計算中的應(yīng)用

土方量的測量需要使用到不同的儀器，比如水準(zhǔn)儀和全站儀等獲取土方量的相關(guān)測量數(shù)據(jù)，然后測繪特征點三維坐標(biāo)，最后通過三維坐標(biāo)建立TIN得到土方，這種方式獲取土方量存在很多缺點，比如工作量大、精度較低，所以將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到土方量的計算中，能夠比較陜速的采集到相關(guān)數(shù)據(jù)，然后測繪三維坐標(biāo)，得到精度比較高的土方量。圖4即為使用地面三維激光掃描技術(shù)對土方量進(jìn)行計算的流程。

1）建立基準(zhǔn)面。處理完點云數(shù)據(jù)之后，需要使用最小二乘法的方式將其轉(zhuǎn)化到工程實地坐標(biāo)系中。在計算挖填土方之前，還需要做好以下工作，即對高程進(jìn)行設(shè)計，然后就是在切取掃描點云，還需要在邊界建立起算基準(zhǔn)面?；鶞?zhǔn)面在特殊工程中要依據(jù)需求進(jìn)行建立，然后在一般的工程中直接將固定高程的平面作為基準(zhǔn)面即可。

2）地物剔除?；鶞?zhǔn)面中也會存在多余的點云數(shù)據(jù)，此時需要加你剔除，正好與地形圖測繪中的非地貌數(shù)據(jù)剔除比較類似。在計算土方量時可以直接根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，此時需要滿足的要求就是該區(qū)域存在非常少的植被或者沒有植被;然而不滿足該要求的地域不能直接進(jìn)行計算，首先需要對這些植被進(jìn)行過濾，然后使用平面迭代方法計算土方量。

3） DEM生成和土方量計算。完成上述地物剔除操作之后，于是可以將剩余的點云數(shù)據(jù)建立不規(guī)則三維網(wǎng)TIN，此時能夠生成精度非常高的數(shù)字高程模型，然后再將其與基準(zhǔn)面模型進(jìn)行相減，就可以得到填挖放方量。

在土方量計算中使用地面三維激光掃描技術(shù)主要有以下優(yōu)勢，能夠降低野外測繪工作;夠高效率得到三維點云數(shù)據(jù);提高了土方量計算的精度;任何類型的土方都能夠使用該技術(shù)進(jìn)行計算。所以地面三維激光掃描技術(shù)在土方量計算中發(fā)揮非常大的作用，具有廣泛作用，能夠提高計算效率和精確度。

2.3 道路竣工測量中的應(yīng)用

道路作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，竣工時需要進(jìn)行測量工作，而其中最重要的就是得到道路的縱橫斷和樣圖。使用傳統(tǒng)的測量方式不僅測量精度和效率不高，而且還存在較大的工作量。如果將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用其中，直接通過激光進(jìn)行掃描即可得到縱橫斷和樣圖，使用這種測量方式的工作效率相比于傳統(tǒng)測量方式效率提高了4倍，而且還提高了測繪的精確度。將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到道路竣工測量中的工作流程比較簡單，大體上可以分為3個步驟，即在點云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)之上，第1步是轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系;第2步就是提取點的三維坐標(biāo)，如圖5所示，提取相應(yīng)點時需要按照一定間隔，于是可以直接自動生成等高線，如圖6所示;第3步就是繪制縱橫斷和樣圖，如圖7所示。

2.4 三維建模中的應(yīng)用

我國屬于四大古國之一，存在比較多的古建筑，并且對這些古建筑的保護(hù)非常重要。地面三維激光掃描技術(shù)能夠構(gòu)建精細(xì)化的三維模型，能夠在不接觸古建筑的情況下獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建三維模型，將古建筑的細(xì)節(jié)特征測繪出來，對文物保護(hù)工作有著重要作用。于是將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到三維建模中的主要工作流程如下所示：①建模。任然是將點云數(shù)據(jù)處理作為基礎(chǔ)，使用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建模的方式有兩種，第一種方式是依據(jù)點云構(gòu)建三角網(wǎng)模型，另外一種方式是依據(jù)點云數(shù)據(jù)采用3dsmax進(jìn)行建模。第一種方式需要確定云數(shù)據(jù)疏密程度，然后還要求三角網(wǎng)的數(shù)量要有比較多的紋理信息;第二種方式就是通過使用點云數(shù)據(jù)繪制規(guī)則形體的剖面，且需要滿足一定的精度要求;②紋理映射。該工作的主要作用就是實現(xiàn)三維模型的真實感，使得繪制的模型能夠與實際建筑相同。完成該步驟的主要方式就是通過使用掃描儀上的數(shù)碼相機得到紋理信息，然后完成紋理映射工作。完成之后還需要對紋理圖像進(jìn)行縮放、糾正和匹配處理。

2.4.1 精細(xì)三維建模

通過使用掃描技術(shù)能夠得到非常多的影像數(shù)據(jù)和三維點云數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)能夠得到古建筑等文物的高精細(xì)三維模型.如圖8所示，還能夠得到某文物中小范圍的三維真實尺寸場景。此時的模型還不具備非常真實的效果，然后使用紋理映射可以得到多個彩色三角網(wǎng)面片，然后對其邊緣進(jìn)行處理，然后將多個三角網(wǎng)面片形成一個整體模型，就可以得到真實尺寸彩色三維模型。使用這種方式進(jìn)行測繪，能夠得到更加準(zhǔn)確的模型，而且還能夠反映建筑實際的效果，能夠完成不同距離、凸凹紋理的測量，還能夠作為圖紙數(shù)據(jù)?？傊褂玫孛嫒S激光掃描技術(shù)能夠進(jìn)行精細(xì)三維建模，并且還表現(xiàn)出比較好的建模效果。

2.4.2 復(fù)雜工業(yè)設(shè)備建模

在工程測量中存在比較復(fù)雜的工業(yè)建筑，其中涉及到很多的設(shè)備管線，對其進(jìn)行規(guī)劃和改造時，需要使用到工程測量，而使用傳統(tǒng)的測量方式效率和精確度都比較低，于是使用三維激光掃描技術(shù)能夠生成3D模型，該模型的構(gòu)建效率快，精確度較高，而且還具有可視化。精確的模型構(gòu)建，能夠給復(fù)雜工業(yè)的改造提供基礎(chǔ)依據(jù)。

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)屬于當(dāng)前非常先進(jìn)的技術(shù)之一，能夠在測量領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，并且在工程測量中具有很好的應(yīng)用前景。但是在工程測量重視會用該技術(shù)還是會存在一定的缺陷，因為該技術(shù)的發(fā)展比較短，如今的售賣價格還比較昂貴;還有就是掃描儀的校正體系不夠完善;對相關(guān)的處理軟硬件要求比較高等。但是隨著時間的發(fā)展，人類將對地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行深入研究，其性能將會變得更加完善，構(gòu)造成本也會更加便宜，在工程測量中將會有更好的使用效果。

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作者簡介：王青（1962-），男，漢族，湖南長沙人，工程師，研究方向：計算機應(yīng)用與地理信息。