三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用探究

龐 振

（新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，相應(yīng)的測(cè)繪工程也越來(lái)越多，在人們的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活當(dāng)中，很多都需要開展相應(yīng)的測(cè)繪工作，如建筑工程建造之前進(jìn)行高精度的測(cè)繪工作，能夠有效提高工程建設(shè)效率與質(zhì)量，保證建筑工程安全。同時(shí)在地質(zhì)勘探過(guò)程當(dāng)中也需要進(jìn)行精確的測(cè)繪工作，通過(guò)測(cè)繪工作的有效開展，來(lái)更好地指導(dǎo)下一步工作的正常推進(jìn)。由此可見，測(cè)繪技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用，而且還是在不斷實(shí)踐應(yīng)用中不斷進(jìn)步與發(fā)展，如在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中，GPS 技術(shù)應(yīng)用時(shí)間最早，在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮著巨大的作用，而且在不斷應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中獲得了很好的發(fā)展。如今在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用的三維激光掃描技術(shù)，是一種新興的測(cè)繪技術(shù)手段，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的快速推進(jìn)，三維激光掃描技術(shù)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭，被普遍應(yīng)用于諸多測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中。雖然三維激光掃描技術(shù)作用優(yōu)勢(shì)非常突出，但作為一種新型的測(cè)繪技術(shù)手段，還有很大的發(fā)展空間。所以在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，不斷總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，將三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中的作用優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，才能為推動(dòng)測(cè)繪領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還利于三維激光掃描技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步[1]。

1 三維激光技術(shù)在國(guó)外的概況

伴隨科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)，并成為21 世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d測(cè)量技術(shù)手段，三維激光掃描技術(shù)不僅有著非常高的測(cè)量精度，而且在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中效率十分高，能夠進(jìn)行實(shí)景可視化，尤其在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用十分的廣泛。例如在監(jiān)測(cè)變形事件過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮著十分重要的作用，各種管道道路建設(shè)項(xiàng)目建模，還有保護(hù)文物方面，這些技術(shù)都發(fā)揮著十分重要的作用。日本福島在2011 年3 月發(fā)生嚴(yán)重地震與海嘯，對(duì)日本福島核電站造成巨大影響，因此其基礎(chǔ)設(shè)施的安全性也受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。日本有關(guān)部門通過(guò)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用，及時(shí)準(zhǔn)確的了解到福島核電站在地震海嘯災(zāi)害之后各種新情況，進(jìn)而更加科學(xué)合理的掌控災(zāi)后處理工作。英國(guó)在2014 年將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于公路交通當(dāng)中，發(fā)生于高速公路上的事故，可以通過(guò)三維激光掃描技術(shù)及時(shí)的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取證，能夠充分了解和掌握事故發(fā)生時(shí)的具體場(chǎng)景，并通過(guò)不同角度來(lái)展現(xiàn)事故場(chǎng)景圖，更加科學(xué)合理的界定事故責(zé)任，對(duì)判定事故責(zé)任關(guān)系提供了重要的參考作用，而且還是事故處理效率大幅增強(qiáng)。河南地球物理以及地球信息科學(xué)院S.SLOBANDH.R.G.K.Hack，對(duì)于一些具有較好規(guī)整性的結(jié)構(gòu)面，以及裸露在外簡(jiǎn)單地形實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中還有一些問(wèn)題存在，需要及時(shí)的應(yīng)對(duì)和解決。新加坡以及意大利的Rongjun Qin 等將基于圖像三維移動(dòng)接到撤回系統(tǒng)聯(lián)合三維激光掃描技術(shù)，能夠更加全面及時(shí)的采集城市街道的實(shí)際景觀，了解這些信息的變化，并對(duì)城市當(dāng)中相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施安全性做出精準(zhǔn)的判斷，了解城市健康狀況，提升城市數(shù)字化發(fā)展。意大利于新加坡Francioni M 等和普通的測(cè)量技術(shù)充分結(jié)合聯(lián)合應(yīng)用三分激光掃描技術(shù)，來(lái)科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)估采石場(chǎng)受到滑坡體的威脅性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的三維成果進(jìn)行獲取，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，針對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行三維建模，及時(shí)了解和掌握巖石邊坡穩(wěn)定性，取得了巨大的工作實(shí)效。比利時(shí)Schueremans L 等通過(guò)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，給當(dāng)?shù)匾凰烫萌S點(diǎn)云數(shù)據(jù)全面獲取，并對(duì)其三維模型進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)建，及時(shí)了解和掌握教堂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并通過(guò)點(diǎn)云全面分析教堂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，獲得詳實(shí)的三維激光掃描數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)指導(dǎo)修復(fù)和保護(hù)工作起到了非常重要的作用。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，數(shù)不勝數(shù)，在國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域有著十分普遍的應(yīng)用，其高精度、高效率，實(shí)景可視化等諸多優(yōu)勢(shì)，成為測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中不可或缺的重要先進(jìn)技術(shù)手段。

2 三維激光技術(shù)在國(guó)內(nèi)的概況

近年來(lái)隨著此項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展，我國(guó)在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)也越來(lái)越普遍。但是與國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)開展測(cè)量工作，應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較晚，但是其發(fā)展速度卻非常的快，近年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展背景下，科學(xué)技術(shù)日新月異，三維激光掃描技術(shù)更是突飛猛進(jìn)，三維激光掃描技術(shù)在我國(guó)很多領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用現(xiàn)已步入國(guó)際先進(jìn)行列。目前在森林資源監(jiān)測(cè)過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)大數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)陣式云通過(guò)大數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)陣式云數(shù)據(jù)分析，能夠全面精準(zhǔn)的獲取森林樹木的高度以及胸徑，數(shù)冠總體體積以及其表面積和材料體積等各種信息數(shù)據(jù)，在探索研究樹木測(cè)量基本設(shè)計(jì)理念以及實(shí)際適用性問(wèn)題方面獲得了巨大的發(fā)展。如四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，在安全生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中首次引入三維激光掃描技術(shù)，在礦山安全領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，能夠針對(duì)礦山山體進(jìn)行三維建模，及時(shí)了解安全隱患，并指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)與監(jiān)管，并在?；饭芾眍I(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮著巨大作用，通過(guò)結(jié)合應(yīng)用紅外線技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，能夠全面系統(tǒng)的監(jiān)控與管理化工區(qū)的安全隱患，同時(shí)達(dá)到量化管理特點(diǎn)，可以有效控制和減少事故發(fā)生。成都理工大學(xué)通過(guò)應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，在地質(zhì)工程領(lǐng)域獲得了巨大突破，特別是錦屏水電站開發(fā)建設(shè)過(guò)程當(dāng)中利用三維激光掃描技術(shù)，來(lái)對(duì)開發(fā)邊坡進(jìn)行研究，取得了重大的工作突破[2]。

3 三維激光掃描技術(shù)工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

在測(cè)繪領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，主要是通過(guò)高速激光非接觸式測(cè)量，來(lái)對(duì)地形以及復(fù)雜物體相關(guān)信息數(shù)據(jù)和影像信息進(jìn)行獲取，基于相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件，來(lái)有效處理三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行獲取與轉(zhuǎn)換，并構(gòu)建三維模型，通過(guò)相應(yīng)的格式輸出，獲得相應(yīng)的測(cè)繪成果。

3.1 系統(tǒng)組成

激光發(fā)射以及接收機(jī)，二維掃描機(jī)構(gòu)和光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共同組成三維激光掃描系統(tǒng)。

3.2 工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)的主要原理為，脈沖激光通過(guò)激光發(fā)射機(jī)發(fā)射出之后，光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)來(lái)對(duì)脈沖激光進(jìn)行準(zhǔn)直，并經(jīng)過(guò)二維光學(xué)掃描系統(tǒng)向目標(biāo)表面進(jìn)行反射，并在目標(biāo)反射基礎(chǔ)上，激光接收機(jī)對(duì)反射過(guò)來(lái)的激光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將其進(jìn)行電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過(guò)放大電信號(hào)。利用測(cè)量激光脈沖發(fā)射時(shí)間以及激光信號(hào)反射接收時(shí)間k，便可將目標(biāo)相聚三維激光掃描儀之間的距離給解算出d＝（c×t）/2，其中c為光速?；诙S光學(xué)掃描系統(tǒng)，能夠?qū)Ω鱾€(gè)激光點(diǎn)的具體方位以及俯仰坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)出，在濾波、成像以及建模處理下三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需要生成相應(yīng)的成格式。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)也獲得了巨大提升，而且其應(yīng)用也十分廣泛，這主要是由于三維激光掃描技術(shù)相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，有著更大的優(yōu)勢(shì)，可以快速精準(zhǔn)的獲取測(cè)量目標(biāo)，高精度高分辨率的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)能夠掃描任何物體，不受白天黑夜以及天氣因素影響，在復(fù)雜的條件下也可高效的完成測(cè)量工作，測(cè)量過(guò)程當(dāng)中不與進(jìn)行接觸，測(cè)量成本大幅降低，而且還有效控制了測(cè)量時(shí)間，與精力投入。

4 三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 繪制數(shù)字地圖

三維激光掃描技術(shù)，聯(lián)合應(yīng)用全球定位系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及CCD 相機(jī)等，可以快速精準(zhǔn)的獲取地理信息數(shù)據(jù)，重建城市三維模型，成為遙感技術(shù)與攝影測(cè)量不可或缺的重要技術(shù)補(bǔ)充。

4.2 水利水電測(cè)繪

在水利水電工程建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，主要是在一些高山峽谷地帶，這些地區(qū)建設(shè)水利水電工程非常險(xiǎn)峻，同時(shí)為了保證水利水電工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須要展開精準(zhǔn)全面的測(cè)量工作。但是這些險(xiǎn)峻的地形地貌對(duì)測(cè)量工作造成很大影響，如果利用傳統(tǒng)的測(cè)量手段開展測(cè)量，工作難度非常大，還極易造成人員傷亡，而通過(guò)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量這些問(wèn)題便可得到迎刃而解，可以快速獲取更加精準(zhǔn)全面的測(cè)量數(shù)據(jù)。

4.3 建筑物變形監(jiān)測(cè)

各種建筑物由于受諸多因素影響，都會(huì)產(chǎn)生變形問(wèn)題，為了更好的了解和掌握建筑的安全情況，必須要對(duì)建筑物開展精準(zhǔn)的測(cè)量工作，過(guò)去再對(duì)建筑物變形測(cè)量過(guò)程當(dāng)中，利用GPS 聯(lián)合相應(yīng)技術(shù)開展近景攝影，這種傳統(tǒng)的測(cè)量方式存在很大的不足，不僅測(cè)量工作過(guò)程當(dāng)中操作起來(lái)十分繁瑣，而且精確度很能得到保障，而通過(guò)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)全面的對(duì)建筑物開展測(cè)量工作，了解建筑物變形情況。

4.4 文物測(cè)繪

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，文物保護(hù)工作也受到了人們的廣泛重視，而在文物保護(hù)工作開展過(guò)程當(dāng)中，更需要將測(cè)繪工作技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。但是過(guò)去測(cè)繪工作開展過(guò)程當(dāng)中都是應(yīng)用傳統(tǒng)的測(cè)量手段來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這些測(cè)量主要停留于外觀層面，很難了解文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，行，構(gòu)建過(guò)程當(dāng)中還有很多不足存在。而利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行測(cè)量，可以快速精準(zhǔn)的獲取文物三維激光掃描數(shù)據(jù)，掌握局部特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用三維建模并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中保存數(shù)據(jù)，在發(fā)生文物損壞時(shí)，可以利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的進(jìn)行修復(fù)[3-5]。

5 三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭，過(guò)去應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量過(guò)程當(dāng)中都是一些固定式的設(shè)備，近年來(lái)三維激光掃描技術(shù)正在向著移動(dòng)式方向發(fā)展，同時(shí)聯(lián)合應(yīng)用傳感器技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)信息更加精準(zhǔn)全面的獲取。同時(shí)近年來(lái)半導(dǎo)體器件發(fā)展速度很快，為了進(jìn)一步提高三維激光掃描技術(shù)效率和質(zhì)量，也打破了三維激光掃描技術(shù)過(guò)去單元探測(cè)體制局限性，逐漸向多元探測(cè)體制方向發(fā)展。雖然我國(guó)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域起步時(shí)間較晚，但是近年來(lái)，在科學(xué)技術(shù)日新月異的背景下，三維激光掃描技術(shù)也在日漸成熟，并在諸多測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，成為當(dāng)前側(cè)位領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)手段，相較于其他傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏拥膹V泛，發(fā)揮的作用會(huì)越來(lái)越大。