地面三維激光掃描測量技術(shù)研究

付國興

(黑龍江省林業(yè)設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

地面空間數(shù)據(jù)采集中一項重要的技術(shù)就是地面三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)主要用于空間數(shù)據(jù)資料的采集，對地面情況進(jìn)行真實的反應(yīng)。傳統(tǒng)的地面三維激光掃描技術(shù)還存在不少的弊端，難以確保地面數(shù)據(jù)信息采集的真實性和有效性，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對該技術(shù)的分析。

1 三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的主要特征分析

1.1 觀測目標(biāo)的動態(tài)化

傳統(tǒng)的測繪技術(shù)常常在模擬地形圖上構(gòu)建終點，只是對數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的處理，因此得到的測量數(shù)據(jù)和信息精確程度不高。而目前的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)在收集和處理數(shù)據(jù)上有了更高的要求。該測量技術(shù)不僅適用在土木工程領(lǐng)域也適用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。采用三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以對目標(biāo)內(nèi)的一切運動物體以及相關(guān)性的特性指標(biāo)等進(jìn)行檢測[1-2]。

1.2 采集技術(shù)集成一體化

離散式測量是傳統(tǒng)地面三維數(shù)據(jù)采集測量常使用的模式，此種測量模式下的計算、繪圖以及用圖的各個環(huán)節(jié)相互獨立，互不關(guān)聯(lián)。舉例來說，在野外環(huán)節(jié)測量時，就可以分別從不同的角度測量，如測角角度、水準(zhǔn)角度以及測距角度等。傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)精準(zhǔn)度較差。而現(xiàn)代的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)屬于一種集成測繪技術(shù)，可以實現(xiàn)集成化和一體化作業(yè)，將外業(yè)、內(nèi)業(yè)和用圖結(jié)合在一起。在實際的測繪工作中可以利用現(xiàn)代電子測繪儀器，如全站儀、GPS接收器等設(shè)備將各個測量環(huán)節(jié)和測量步驟聯(lián)系在一起，提高三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的集成化和一體化程度。

1.3 數(shù)據(jù)測量的實時化

現(xiàn)代的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)在數(shù)據(jù)測量上具有實時化的特點，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量技術(shù)存在明顯不同，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)測量技術(shù)測量數(shù)據(jù)的滯后性較為嚴(yán)重，尤其在外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的測量處理時，滯后性問題較為嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為觀測到獲取三維目標(biāo)兩者之間存在明顯時差。滯后性的特點難以促使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)測量技術(shù)使用在自動化生產(chǎn)線的檢測、現(xiàn)代電機(jī)配套安裝以及軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域。上述領(lǐng)域均需要獲取實時的測繪數(shù)據(jù)，而現(xiàn)代的三維空間數(shù)據(jù)采集測量技術(shù)正可以有效解決上述問題，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)測量技術(shù)的不足，可以實時、準(zhǔn)確的構(gòu)建三維空間目標(biāo)。

1.4 測量結(jié)果的數(shù)字化

三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)離不開計算機(jī)和電子智能技術(shù)的有效支持，正是由于高科技的參與才使得現(xiàn)代三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的測量成果更具數(shù)字化的特征。數(shù)字化地面三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)測繪過程中測圖精度不高、圖上數(shù)據(jù)和信息不全等問題，非常適用于野外大比例尺測圖技術(shù)。

2 地面三維激光掃描測量技術(shù)的原理分析

地面三維激光掃描測量技術(shù)的工作原理如下，依靠相位干涉法掃描并借助激光連續(xù)波發(fā)射。干涉相位的測量方法需要利用到光學(xué)干涉原理。在該原理下可以實現(xiàn)近距離測量要求，將測量范圍限制在50m以內(nèi)，此時的采樣點速度可以達(dá)到10000～500000點每秒。在立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源的幫助下，可獲取兩條光線信息構(gòu)建立體投影關(guān)系。該方法下對近距離測量非常適用，可將測量范圍限制在20m以內(nèi)，采樣點速度可以達(dá)到100點每秒。脈沖測距技術(shù)下可從固定總線沿著視線測量距離，測量范圍至少為100m，采樣點速度為100點每秒以上。目前脈沖激光測距方法是地面三維激光掃描測量技術(shù)常采用的工作原理。該測量技術(shù)中的掃描系統(tǒng)、支架系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)以及集成數(shù)字?jǐn)z影儀器背部矯正系統(tǒng)等都是在該工作原理下運行的。其中掃描系統(tǒng)中的GS100、LMS-Z210、ILRIS 3D等是應(yīng)用該工作原理的典型代表。三維激光掃描儀在TOF脈沖測距法的支持下可以獲取掃描目標(biāo)點云坐標(biāo)，其中目標(biāo)點云坐標(biāo)見圖1。再從儀器內(nèi)部精密測量系統(tǒng)的支持下，獲得發(fā)射出去的激光光束，其中激光光束的水平方向角度為α，垂直方向角度為θ，s表示脈沖激光發(fā)射到儀器之間的距離。構(gòu)建出目標(biāo)點云坐標(biāo)之后可以根據(jù)掃描反射接收的激光強(qiáng)度對掃描點進(jìn)行顏色灰度的匹配工作[3-4]。

圖1 目標(biāo)點云坐標(biāo)獲取

3 地面三維激光掃描測量技術(shù)的特點

3.1 具有較高的數(shù)據(jù)采樣率

三維激光掃描測量技術(shù)不管是采用脈沖激光工作原理還是時間激光工作原理，這兩種方法的掃描采樣點速率可以達(dá)到數(shù)千點每秒，在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集中非常適用。而采用相位激光工作原理的三維激光掃描儀采樣點速率可以達(dá)到數(shù)十萬點每秒，可見地面三維激光掃描測量技術(shù)數(shù)據(jù)采樣率是非常高的。

3.2 非接觸測量方式

非接觸測量是地面三維激光掃描測量技術(shù)的顯著特點。該技術(shù)可以對掃描目標(biāo)物體不加任何處理，直接在物體表面獲取三維數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采集方式有較強(qiáng)的可靠性，尤其是在危險目標(biāo)和惡劣環(huán)境掃描時非常適用。

3.3 掃描光源可主動發(fā)射

地面三維掃描測量技術(shù)在獲取目標(biāo)物體的空間信息時，可以主動發(fā)射掃描光源或者激光，并對自身發(fā)射的激光回波信號進(jìn)行探測。因此地面三維激光掃描測量技術(shù)可以不受時間、空間以及掃描環(huán)境的限制，可獨立完成主動發(fā)射掃描光源的任務(wù)。

4 地面三維激光掃描測量技術(shù)的主要應(yīng)用場所

4.1 工程測量上的應(yīng)用

地面三維激光掃描測量技術(shù)可應(yīng)用在土木工程的測量上，土木工程建設(shè)涉及的內(nèi)容較多，包括橋梁工程、道路工程以及隧道工程建設(shè)等。不管是何種工程在開展前期都需要做好施工前的準(zhǔn)備，獲得精確的地形圖。此外，在工程施工的中后期還要構(gòu)建三維模型作為分析施工所在地地質(zhì)和環(huán)境的依據(jù)，指導(dǎo)工程建設(shè)的順利開展。在地質(zhì)方面應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)可完成地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)編錄、地質(zhì)露頭、邊坡安全檢測以及地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測等工作。地質(zhì)工作中借助該技術(shù)的精確性、非接觸性以及安全高效性可以獲取更為準(zhǔn)確的目標(biāo)三維坐標(biāo)，構(gòu)建三維模型。此外，在測量較為復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備和高壓輸電線路時，也可使用地面三維激光掃描測量技術(shù)，利用該技術(shù)規(guī)劃和設(shè)計管線，以便后期對管線的維護(hù)和替換。在該技術(shù)的支持下可生成更為精確的3D模型，為將復(fù)雜的工程項目轉(zhuǎn)換為可視化的三維模型[5-6]。

4.2 文物保護(hù)上的應(yīng)用

文物保護(hù)工作具有較強(qiáng)的特殊性，復(fù)雜程度較高。文物因為歷史年代悠久的原因，在很多情況下要求文物保護(hù)工作人員不能直接接觸，因此在文物測量上需要采取地面三維激光掃描測量技術(shù)，依靠該技術(shù)的非接觸測量特點，構(gòu)建精細(xì)化的文物表面模型。利用該技術(shù)可在任意位置對文物進(jìn)行測量，并提供修復(fù)和恢復(fù)文物的數(shù)據(jù)。

4.3 土石方體積測量上的應(yīng)用

地面三維激光掃描測量技術(shù)在測量土石方時也可以使用，在該技術(shù)的支持下可以獲取更為精確的三維點云數(shù)據(jù)，工作人員可以對獲取的云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，衡量出目標(biāo)物體體積的實際大小。

5 結(jié)語

綜上所述，地面三維激光掃描測量技術(shù)是對傳統(tǒng)測繪技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，是一種全新的測繪技術(shù)，該技術(shù)的產(chǎn)生離不開空間點陣掃描技術(shù)和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術(shù)的支持。地面三維激光掃描測量技術(shù)的不斷發(fā)展，促使其使用范圍也越來越廣，尤其是在工程測量中具有明顯的優(yōu)勢。