芻議激光三維掃描、重建技術(shù)及其在工程中的應用

王江峰 鄭俊

摘 要：科技在不斷發(fā)展，測繪技術(shù)也得到前所未有的發(fā)展，激光三維掃描、重建技術(shù)逐漸被應用到工程建設中，為其提供了有效的數(shù)據(jù)服務，特別是在工程測量中，激光三維技術(shù)的應用可以快速大量的獲取地表信息，提高了測繪效率。

關(guān)鍵詞：激光三維掃描;重建技術(shù);工程;應用

目前，激光三維掃描測量技術(shù)在工程建設中的需求量不斷增多，相對于傳統(tǒng)測量技術(shù)而言，激光三維掃描具有測量速度快，投入低，精確度高等優(yōu)勢，現(xiàn)代工程項目設計中均在不斷的采取激光三維掃描測量技術(shù)，以提高測量的速度及準確性。

1.激光三維掃描技術(shù)

1.1內(nèi)涵

激光三維掃描技術(shù)主要是以激光對距離進行測量，再利用云計算對測量點的數(shù)據(jù)以三維化的模式呈現(xiàn)出來，進一步記錄反射率數(shù)據(jù)，最后通過三維技術(shù)特有的全景模型構(gòu)建模擬實景，這是工程測量技術(shù)歷史上的一次重大創(chuàng)新。該技術(shù)能夠快速、連續(xù)獲取所需項目的空間信息數(shù)據(jù)，利用非接觸的方式直接獲得被測目標的空間位置信息，在掃描過程中所需人力不多，確保了信息數(shù)據(jù)的真實性和客觀性。

1.2分類

按照技術(shù)應用可分為固定式和移動式，固定式技術(shù)指的是利用全站儀開展測量，將其作為激光掃描的控制中心及數(shù)據(jù)處理中心，全站儀可以將大量的數(shù)據(jù)匯總整合，再通過處理軟件形成三維坐標，更容易操作，精度更高，效率更高，應用范圍更廣。移動式激光三維掃描技術(shù)，則是利用車載平臺實施移動式定位掃描，再借助GPS、IMU系統(tǒng)，再結(jié)合激光三維掃描技術(shù)組成整個運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，靈活性更高，但對地形復雜、惡劣的環(huán)境而言不適用此方法。

1.3原理

激光三維掃描技術(shù)作為一種新型科技，其主要原理是利用激光測量距離，通過記錄目標表面的點的三維坐標，反射率，紋理等信息，再迅速收集整理這些信息，將信息形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)，再以三維模式將精準的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給測量人員，便于觀察和統(tǒng)計，有效的提高了工作效率。此外，激光三維掃描技術(shù)完成了從單點測量到面測量的突破，同時也將該技術(shù)在建筑，室內(nèi)設計，土木工程，交通事故及軍事領(lǐng)域中使用。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集硬件設備，軟件部分，還分為機載，地面，車載等類型，技術(shù)人員在應該用該技術(shù)的同時也在不斷研究，不斷完善，使其更加成熟，滿足測量工作的需求。

1.4優(yōu)勢

第一、所包含的信息量巨大。激光三維掃描技術(shù)不同于傳統(tǒng)測量技術(shù)，其能夠?qū)θ臻g內(nèi)的數(shù)據(jù)進行掃描，從而獲取大量的三維坐標數(shù)據(jù)，對城市建立完成的地面信息數(shù)據(jù)庫具有重要價值，為城市空間規(guī)劃發(fā)展提供有力信息。第二、數(shù)據(jù)采集過程安全性高。傳統(tǒng)測量方式在測量高速公路、立交橋等工程時，危險性較高，需要技術(shù)人員在比較危險的環(huán)境下集中注意力作業(yè)，以便采集準確的數(shù)據(jù)。而激光三維掃描技術(shù)具有非接觸性，因此測量效果更理想，確保了技術(shù)人員的人身安全。第三、測量精度高。在我國，激光三維掃描技術(shù)在多個行業(yè)仍在探索階段，但通過實際應用研究，其測量精度遠超出人工測量，能夠完全滿足我國在大工程建設中對測量精度的要求。

2.激光三維掃描技術(shù)、重建技術(shù)在工程中的應用

2.1地形圖測繪中的應用

我國地形圖是城鎮(zhèn)規(guī)劃、建設管理等重要資料。以往對地形圖測繪時主要采取全站儀、RTK常規(guī)測繪方法，但這些方法存在效率低、人工成本高、更新慢等缺陷，無法滿足社會發(fā)展的需求。激光三維掃描技術(shù)便可有效的解決這個問題，將激光三維掃描技術(shù)應用于地形測繪中，以不同的項目要求和地形特點為依據(jù)，可使用不同平臺作業(yè)方式，快速獲取高精度地表點云數(shù)據(jù)。掃描過程中，多平臺的激光雷達測量系統(tǒng)可自主發(fā)射激光，再利用多次回波技術(shù)，避免作業(yè)環(huán)境及地表植物的影響，獲取精準的地貌信息。內(nèi)業(yè)部分采用專業(yè)軟件，解算平臺軌跡，獲取高精度的位置和速度信息，建立測區(qū)坐標控制系統(tǒng)，糾正地形點云數(shù)據(jù)，配合立體測圖、地形成圖軟件，基于三維場景實施多視角捕捉和繪制地物。

2.2計算土方

目前，激光三維掃描技術(shù)已成為土方工程中最常用的測量方式，首先打造基準面，以便充分獲取點云數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)與坐標系相結(jié)合，通過最小二乘法計算，進而提高數(shù)據(jù)的準確性，最后依據(jù)高程信息及點云數(shù)據(jù)邊界打造基準面。通常情況下，不同信息的工程基準面性狀以高程為主，或者存在曲面。第二、剔除地形中的非地貌數(shù)據(jù)，主要包括：基礎(chǔ)設施及植被，采取平均面迭代法開展剔除，直至地形表面結(jié)構(gòu)全被剔除，獲取基準數(shù)，得到土方量的準確數(shù)據(jù)。激光三維掃描技術(shù)在土方工程計算中的作用非常重要，其能夠打破傳統(tǒng)測量方式，有效的避免了錯誤的產(chǎn)生，大大提升工程項目建設效率，降低成本，實現(xiàn)了建設工程經(jīng)濟效益，也是我國土方工程中的重大突破。

2.3建筑測量中的應用

現(xiàn)階段，我國城市化發(fā)展十分迅速，無論是翻修工程還是保護工程都需要開展測量，而且對數(shù)據(jù)精密性的要求極高，傳統(tǒng)測量工具測得的數(shù)據(jù)與實際效果存在較大差異，同時需要較大的人工投入，才能降低測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間的差距。其優(yōu)勢在復原古建筑和老舊建筑改造中的應用更為明顯，例如：某國家5A級景區(qū)，作為歷史悠久的古鎮(zhèn)，因建筑年代久遠，出現(xiàn)了分區(qū)不明，雜亂無章，年久失修等問題，為了有效消除安全隱患，提高景區(qū)整體面貌，相關(guān)部門決定對其實施改造。采用激光三維掃描技術(shù)開展測繪工作，測得其道路長度為3.5公里，以道路兩側(cè)建筑物為掃描對象。使用組合式地面激光掃描系統(tǒng)開展測站掃描，為了提高數(shù)據(jù)精度，在布設架站點時以相鄰點間通視良好，站數(shù)最小，掃描內(nèi)容及范圍最大為原則，按順序逐一掃描。數(shù)據(jù)采集完成后，導入工作站，再對數(shù)據(jù)實施糾正、拼接、去噪處理。最后將處理好的點云數(shù)據(jù)導入成圖軟件，整理出成果資料。期間共用時5天，實現(xiàn)了快速、準確、高效的目標。

2.4道路工程中的應用

道路工程開展測量是為了獲得工程樣圖及橫縱斷面，傳統(tǒng)測量方式以水準儀為主要測量工具，測量逐個點的道路高程，但道路工程測量范圍廣，路程遠，增加了測繪難度，同時由于水準儀設備測量消耗時間較長，成本高，數(shù)據(jù)精確性不高，諸多因素使得測繪人員工作壓力倍增。而將激光三維掃描技術(shù)應用于道路工程測量中，能夠快速獲得道路數(shù)據(jù)信息，再加上對實地環(huán)境的考察，能夠在很大程度上確保交通工程順利開展，還能避免大漏洞和施工缺陷，有效降低成本，提高道路施工的效率及方案的可行性。

2.5對變形監(jiān)測的應用

在一些特殊工程中，例如：大型電站、長隧道、大壩、其工程是否存在變形直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。如果這些工程缺少監(jiān)測，出現(xiàn)嚴重變形進而產(chǎn)生崩塌，會造成巨大的財產(chǎn)損失及人員傷亡事故。通常在工程完工后，可使用激光三維掃描技術(shù)對工程實施檢測，獲取大量的工程表面三維數(shù)據(jù)，再對其開展進一步分析，便可及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，進而相關(guān)部門作出調(diào)整方案。相較于傳統(tǒng)檢測方法，激光三維掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集率更高，點云數(shù)據(jù)更多，實現(xiàn)了從點到面的飛躍，避免了以往測量方式的片面性和局限性。

結(jié)束語

激光三維掃描技術(shù)是一種新型測繪手段，具有獲取數(shù)據(jù)快速，精確度高，自動化程度高等特點，將其應用于工程測量中，可顯著提高工作效率，降低測量成本，對工程測量而言具有重大意義。

參考文獻：

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