三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

趙洪禮

摘? 要：三維激光掃描技術(shù)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、無需接觸、高精度等特點(diǎn)。文章通過介紹三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理，對(duì)其在工程測(cè)繪中的應(yīng)用情況進(jìn)行了探討，同時(shí)提出了幾點(diǎn)淺顯的建議，希望能給廣大同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);工程測(cè)繪;點(diǎn)云;噪聲數(shù)據(jù)

1引言

三維激光掃描技術(shù)于上世紀(jì)90年代中期誕生，它是繼GPS技術(shù)出現(xiàn)后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次重大的革命性成果。相比較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法， 三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射高速激光來全面掃描被測(cè)物體，可以快速、大面積、高分辨率地獲取到被測(cè)目標(biāo)的表面反射率、紋理以及三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以復(fù)建出物體的線、面、體等各種圖件信息以及三維模型，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、無需接觸、高精度等特點(diǎn)。作為一種新型的測(cè)繪方法，目前，三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)繪領(lǐng)域，對(duì)于提升我國(guó)測(cè)繪行業(yè)的整體水平具有十分重要的意義。

2 三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成及原理

三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、控制器、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)及其他相關(guān)設(shè)備組成（如圖1所示），該系統(tǒng)是一種集合多方面高新技術(shù)的全新空間數(shù)據(jù)信息采集手段。作業(yè)時(shí)，發(fā)射器利用二極管發(fā)射激光脈沖信號(hào)，經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡將信號(hào)射向目標(biāo)，同時(shí)利用探測(cè)器來接收反射回來的激光信號(hào)，并通過記錄器來記錄，最后將其轉(zhuǎn)化成為可以被識(shí)別并處理的信息數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀在掃描實(shí)體目標(biāo)時(shí)，能夠獲得不同目標(biāo)對(duì)激光產(chǎn)生的光射時(shí)間差，進(jìn)而將物體與激光之間的距離測(cè)量出來，再通過編碼器測(cè)量掃描儀的鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與水平旋轉(zhuǎn)角度，最終獲得被測(cè)物體表面的所有離散點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，所有離散點(diǎn)的集合稱為“點(diǎn)云”或“距離影像”，由點(diǎn)云構(gòu)成的影像和掃描柵格影像的主要差異就是其是可測(cè)量的，激光掃描不需要光源，能夠在黑暗環(huán)境和夜間進(jìn)行掃描作業(yè)。

2 三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1技術(shù)流程

以某道路工程為例，三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)流程主要有控制測(cè)量、標(biāo)靶掃描、數(shù)據(jù)濾波、點(diǎn)云拼接、DEM建模、縱橫斷面圖生成（如圖2所示）。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本文以徠卡HDS8800三維激光掃描儀為例，該儀器具備對(duì)中整平功能，屬于全站式三維激光掃描儀，能夠像全站儀那樣開展外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作，并且測(cè)量獲取的點(diǎn)云就是實(shí)際中的三維坐標(biāo)。在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候首先需要觀察周圍壞境，將控制點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)之中，平面控制測(cè)量采用全站儀、全球定位系統(tǒng)完成。高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行，掃描作業(yè)的時(shí)候利用在已知控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)站操作，然后將各個(gè)站點(diǎn)和其他地理坐標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置。采樣間隔確認(rèn)后進(jìn)行掃描，如果采樣間隔過大的話，那么就會(huì)對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理精度產(chǎn)生一定影響;如果采樣間隔過小的話，采集到的點(diǎn)云數(shù)量就會(huì)比較龐大，這些都會(huì)給后期的數(shù)據(jù)處理造成一定的困難。在通視條件良好時(shí)，相鄰站掃描距離宜在80m左右，這樣能夠保證相鄰測(cè)站之間的點(diǎn)云存在一定的重疊。如果通視情況并不理想，則需要合理增加掃描的站數(shù)，一直到掃描所有的區(qū)域目標(biāo)為止。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描工作完成后，會(huì)獲取到大量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)中未免會(huì)包含一些如樹葉、風(fēng)沙和車輛等無用的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)稱之為噪聲數(shù)據(jù)，必須將這些點(diǎn)云處理之后再進(jìn)行利用，從點(diǎn)云到測(cè)繪結(jié)果的獲取包括拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)、濾波、構(gòu)建TIN等，圖3為應(yīng)用車載三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行道路測(cè)繪的點(diǎn)云與全景影像。

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

將不同測(cè)站掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接并統(tǒng)一在相同的坐標(biāo)系下，主要的方法就是利用網(wǎng)絡(luò)RTK等常規(guī)測(cè)量手段將測(cè)站坐標(biāo)聯(lián)測(cè)出來。在進(jìn)行掃描的時(shí)候，各個(gè)定向點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)可以直接定位在控制點(diǎn)的坐標(biāo)上，并且還可以將其數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃到測(cè)量區(qū)域的地理坐標(biāo)中去。通過這種方式進(jìn)行測(cè)量不會(huì)發(fā)生多站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)所導(dǎo)致的傳遞誤差，同時(shí)整體精度較為均勻。

2.3.2 數(shù)據(jù)濾波

在掃描的時(shí)候由于會(huì)受到樹木、行人植被及地表復(fù)雜程度等方面的影響，因而容易產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)會(huì)造成點(diǎn)云存在會(huì)使得點(diǎn)云發(fā)生誤差，所以只有將這些噪聲點(diǎn)充分清除掉，才能開展其他方面的操作，因而將剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的過程叫做數(shù)據(jù)濾波。

2.3.3 構(gòu)建TIN生成等高線及縱斷面圖

處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的組成主要有高密度的三維離散點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)軟件將這些點(diǎn)生成連續(xù)而不規(guī)則的三角網(wǎng)并將其優(yōu)化，進(jìn)而生成等高線，并且依據(jù)需要進(jìn)行等高線的間距設(shè)置。在TIN模型中插入附帶有設(shè)計(jì)樁號(hào)的道路設(shè)計(jì)中線，依據(jù)設(shè)計(jì)方案的中線斷面間距和橫斷面寬度，最終生成滿足需求的縱橫斷面圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是一種比較先進(jìn)的三維空間數(shù)據(jù)獲取手段，與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比，該技術(shù)體現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其必將具有廣闊的應(yīng)用前景。但該技術(shù)目前還處在發(fā)展階段，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還不完善，使用成本也比較高，配套的內(nèi)業(yè)處理系統(tǒng)也不夠成熟，相信隨著科技的不斷發(fā)展，這幾方面的問題必定會(huì)得到解決，從而發(fā)揮出其應(yīng)有的價(jià)值。

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