地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用分析

郭曉鵬 李哲

摘 要：若是使用傳統(tǒng)意義上的技術(shù)手段來(lái)完成工程測(cè)量工作，那么不僅測(cè)量效率得不到有效提高，測(cè)量精度也得不到充分保障。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，科技水平有了很大的提升，逐漸出現(xiàn)了一種新型的地面三維激光掃描技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量速度快以及精度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描技術(shù);工程測(cè)量;應(yīng)用分析

中圖分類(lèi)號(hào)：P225.2;TU198 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，三維激光掃描技術(shù)逐漸被應(yīng)用到醫(yī)療、軍事以及航空航天等諸多領(lǐng)域中，為人們提供了更加精確的數(shù)據(jù)支撐。對(duì)于工程的測(cè)量工作而言，有效保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度尤為重要，如果采用傳統(tǒng)意義上的人工測(cè)量方式，那么必定會(huì)出現(xiàn)巨大的誤差，而通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅能增強(qiáng)施工方案的科學(xué)性，還能提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，為地面工程測(cè)量提供了極大的便利。

1 地面三維激光掃描技術(shù)的概述

1.1 技術(shù)原理

在正式應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量的過(guò)程中，操作人員可以控制激光掃描儀來(lái)對(duì)各點(diǎn)位實(shí)施掃描測(cè)距，通過(guò)向被測(cè)物體發(fā)射激光光束，將發(fā)射與接收激光的強(qiáng)度和時(shí)間差作為依據(jù)，合理匹配各掃描點(diǎn)的顏色灰度，不僅能保證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性，還能快速獲得被測(cè)點(diǎn)位的空間坐標(biāo)，并重復(fù)上述操作，對(duì)各點(diǎn)位實(shí)行三維的激光掃描。除此之外，還要將最終得到的測(cè)量數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)值存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)抑或是配套數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)這些數(shù)據(jù)展開(kāi)綜合分析和優(yōu)化處理，在此基礎(chǔ)上完成三維影像、模型的構(gòu)建[1]。

1.2 技術(shù)特征

通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成效進(jìn)行仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)其具有數(shù)據(jù)采集率高、分辨率高以及精度高等特征。其一，數(shù)據(jù)采集率高指的是采用相位激光抑或是脈沖激光來(lái)達(dá)到三維掃描效果，能夠在很短的時(shí)間里對(duì)整個(gè)掃描范圍內(nèi)數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)開(kāi)展非接觸式測(cè)量工作，數(shù)據(jù)信息的采集速度非?？欤苡行Эs短測(cè)量任務(wù)完成的時(shí)間。其二，分辨率與精度高是指系統(tǒng)能同時(shí)掃描多個(gè)點(diǎn)位，快速獲取所需的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)被測(cè)對(duì)象的造型結(jié)構(gòu)、表面情況等進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估，分辨率能達(dá)到2 mm～3 mm。與此同時(shí)，在實(shí)際的工程測(cè)量過(guò)程中，激光掃描系統(tǒng)擁有數(shù)據(jù)平差改正的功能，能優(yōu)化處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，盡可能減少誤差[2]。

2 地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用分析

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

眾所周知，在開(kāi)展工程測(cè)量相關(guān)作業(yè)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)三維式激光掃描技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅能采集諸多的外業(yè)數(shù)據(jù)，還能有效處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。其中，外業(yè)數(shù)據(jù)的采集內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)掃描、平面與高程控制測(cè)量等;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理則主要包括數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)以及標(biāo)靶三維坐標(biāo)測(cè)量等。對(duì)于數(shù)據(jù)采集處理工作來(lái)說(shuō)，由于受到諸多客觀環(huán)境的影響，要想提高數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確度，就需要掃描獲取更多的點(diǎn)位信息，這樣才能全面、準(zhǔn)確掌握被測(cè)對(duì)象的整體情況[3]。

然而在傳統(tǒng)的工程測(cè)量環(huán)節(jié)中，采集到的點(diǎn)位數(shù)據(jù)拼接存在問(wèn)題，難以將大量數(shù)據(jù)整合到一起形成一個(gè)整體。為了解決上述問(wèn)題，可以使用三維激光掃描的方式，準(zhǔn)確獲取標(biāo)靶信息，并在標(biāo)靶的中心區(qū)域內(nèi)完成兩個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的拼接工作。與此同時(shí)，將激光掃描儀當(dāng)做坐標(biāo)原點(diǎn)、采集點(diǎn)當(dāng)做局部坐標(biāo)，這樣就能將采集到的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)放置在同一個(gè)平面坐標(biāo)系中，便于導(dǎo)入相應(yīng)的計(jì)算公式來(lái)獲得站點(diǎn)坐標(biāo)。

除此之外，測(cè)量人員可以依次進(jìn)行平面、高程的控制測(cè)量工作，對(duì)標(biāo)靶所在的三維坐標(biāo)實(shí)行激光掃描，準(zhǔn)確找到標(biāo)靶的中心部位，并得到標(biāo)靶的高度信息，充分落實(shí)數(shù)據(jù)抽樣工作，掌握相關(guān)的規(guī)律，保證所選數(shù)據(jù)的參考價(jià)值，這樣不僅能有效減少數(shù)據(jù)處理的工作量，還能提高工程測(cè)量的精度和效率。最后，需要將測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)相關(guān)軟件，對(duì)其進(jìn)行平差改正和處理。

2.2 測(cè)量繪制地形圖

要想借助三維掃描技術(shù)來(lái)完成地形圖的測(cè)量與繪制工作，那么就需要對(duì)被測(cè)點(diǎn)位實(shí)行激光掃描，分析和處理所獲得的云數(shù)據(jù)，將那些無(wú)用數(shù)據(jù)剔除，這樣才能更好的從余下數(shù)據(jù)中提取出被測(cè)對(duì)象的特征點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)有效的編輯處理，從而繪制出準(zhǔn)確的地形圖。在實(shí)際測(cè)量繪制地形圖的過(guò)程中，三維掃描技術(shù)的應(yīng)用能降低地形地貌給測(cè)量精度和作業(yè)效率所帶來(lái)的不利影響，能在提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上，快速掃描測(cè)量那些特殊區(qū)域的地形地貌，如懸崖、斷壁等[4]。其中，地形圖的測(cè)量繪制工作可以細(xì)化成以下幾個(gè)部分：

第一，地物提取。在開(kāi)展地形圖測(cè)量繪制相關(guān)作業(yè)之前，測(cè)量人員可以借助激光掃描儀來(lái)采集被測(cè)范圍內(nèi)的地物特征點(diǎn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定軟件中進(jìn)行處理，獲取具有良好參考意義的地物特征數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，要采用合理的方式來(lái)將地物數(shù)據(jù)輸出到測(cè)圖軟件中繪制地物平面圖，并構(gòu)建出相應(yīng)的三維模型。

第二，形成等高線，在正式的工程測(cè)量過(guò)程中，地面所分布的一些植物抑或是建筑物將會(huì)給測(cè)量效果帶來(lái)巨大影響，難以獲取到準(zhǔn)確的地面等高線、地貌數(shù)據(jù)等信息。由此可見(jiàn)，需要相關(guān)人員根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，合理使用平均面迭代等方法剔除采集數(shù)據(jù)中那些平均面距離較遠(yuǎn)、非地貌等點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并重復(fù)迭代計(jì)算平均面，保證地貌數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

第三，編輯成圖。眾所周知，在編輯成圖的過(guò)程中，要考慮到剔除處理后剩下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在分布不勻、局部密度小等特征，會(huì)在一定程度上影響到等值線的效果。所以，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)抽析，將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到測(cè)圖軟件中，這樣能快速形成等高線，實(shí)現(xiàn)全面、客觀反映測(cè)區(qū)地貌的目標(biāo)。與此同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用三維掃描技術(shù)時(shí)，需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件，因?yàn)閱我坏能浖δ鼙容^小，在導(dǎo)入導(dǎo)出各種點(diǎn)云數(shù)據(jù)和處理結(jié)果環(huán)節(jié)中需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，甚至還會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失、無(wú)法讀取的問(wèn)題。由此觀之，建筑企業(yè)可以研發(fā)出同時(shí)擁有數(shù)據(jù)采集和處理、編輯成圖等功能的工程測(cè)量平臺(tái)，這樣能有效提高工程測(cè)量的成效。

2.3 土方量計(jì)算

以往在進(jìn)行工程測(cè)量時(shí)，使用得最多的設(shè)備主要包括全站儀、水準(zhǔn)儀等，由相關(guān)測(cè)量人員在野外開(kāi)展測(cè)量工作，獲取測(cè)區(qū)內(nèi)各處地物散點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這種作業(yè)方式不僅無(wú)法提高工作效率，還不能保證測(cè)量的精度，無(wú)法客觀反映出測(cè)區(qū)的地表情況，難以準(zhǔn)確計(jì)算出土方量數(shù)值。而通過(guò)合理應(yīng)用三維掃描技術(shù)，能簡(jiǎn)化野外測(cè)量流程、減少工作量，在確保測(cè)量精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，快速完成測(cè)量任務(wù)，為后續(xù)土方量的計(jì)算提供數(shù)據(jù)參考。其中，土方量的計(jì)算過(guò)程如下：

第一，基準(zhǔn)面的構(gòu)建。在完成測(cè)區(qū)內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集工作后，還要對(duì)其進(jìn)行合理的分析和處理，并將處理結(jié)果傳入到相應(yīng)的坐標(biāo)系內(nèi)，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換精度以控制點(diǎn)與數(shù)據(jù)拼接的精度要求為準(zhǔn)。工作人員要基于已知的測(cè)區(qū)邊界與設(shè)計(jì)高程等信息，將基準(zhǔn)面確定為固定化的高程平面，能準(zhǔn)確切取各點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。

第二，地物剔除。在使用三維掃描技術(shù)來(lái)開(kāi)展工程測(cè)量工作時(shí)，很容易受地表各障礙物的影響，使采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有少量非地貌數(shù)據(jù)，若是沒(méi)有采取有效措施將這類(lèi)數(shù)據(jù)剔除，那么將會(huì)給土方量計(jì)算的準(zhǔn)確性帶來(lái)不利影響，這種情況下，相關(guān)人員就可以采用平均面迭代的方法，有效剔除掉點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的非地貌數(shù)據(jù)。當(dāng)然，如果測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的植被、障礙物的分布較少，采集到的非地貌數(shù)據(jù)量不大，不會(huì)給土方量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，那么就可以簡(jiǎn)化地物剔除操作，直接進(jìn)入下一階段。

第三，DEM生成。在操作人員將非地貌數(shù)據(jù)剔除或者非地貌數(shù)據(jù)量較小的情況下，可以使用相關(guān)軟件來(lái)構(gòu)建三維數(shù)字高程信息與不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型。然后將基準(zhǔn)面和高程信息模型做減法，計(jì)算出體積，從而獲得測(cè)區(qū)土方的開(kāi)挖量和回填量。

2.4 三維建模

在新時(shí)代發(fā)展的大背景下，操作人員可以應(yīng)用三維掃描技術(shù)采集所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出配套的三維信息模型，創(chuàng)設(shè)出范圍和尺寸合適的擬真場(chǎng)景，整個(gè)模型主要由諸多彩色三角網(wǎng)組成，而三角網(wǎng)面則由尺寸相同的分模塊組成。與此同時(shí)，要對(duì)三維模型實(shí)行糾正縮放、邊緣處理以及模型面片遮擋等操作，這樣才能保證所構(gòu)建的某型更加真實(shí)、規(guī)則。除此之外，操作人員要按照工程測(cè)量要求來(lái)選擇精細(xì)化的三維建模方式，比如3dsmax建模、點(diǎn)云三角網(wǎng)建模等。其中，在使用前者進(jìn)行三維建模時(shí)，要在獲取準(zhǔn)確點(diǎn)云數(shù)據(jù)的前提下，借助相關(guān)軟件繪制比較規(guī)則的剖面，并將若干破面整合起來(lái)構(gòu)建成規(guī)則模型;在使用后者進(jìn)行三維建模時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的建模精度要求來(lái)確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度，保證三角網(wǎng)能在軟件中獨(dú)立運(yùn)行，并在相應(yīng)的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)中融入充足的紋理信息。

2.5 工程竣工測(cè)量

在進(jìn)行工程竣工驗(yàn)收的過(guò)程中，使用三維掃描技術(shù)能更好的測(cè)繪構(gòu)筑物高程。比如，在開(kāi)展道路工程測(cè)量工作時(shí)，使用此項(xiàng)技術(shù)能快速繪制出道路的縱橫斷圖和樣圖，具體的測(cè)量步驟如下：基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來(lái)完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化工作，從中獲取有效的三維坐標(biāo)信息，并在軟件內(nèi)生成相應(yīng)的等高線，從而準(zhǔn)確繪制出道路的縱橫斷圖和樣圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于工程施工而言，工程測(cè)量是其中必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容，借助三維激光掃描技術(shù)來(lái)完成地面工程的測(cè)量工作，不僅能自動(dòng)獲取相應(yīng)的地面數(shù)據(jù)，還能構(gòu)建出三維立體式迷行，更好的滿足建筑工程實(shí)景復(fù)刻要求，這樣既提高了建筑、交通等大型工程的測(cè)量質(zhì)量和效率，還在很大程度上減少了測(cè)量成本的投入，降低了工作的強(qiáng)度，促進(jìn)了整個(gè)建筑行業(yè)的健康、穩(wěn)定性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王鵬飛.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].數(shù)碼世界，2018（5）：375-376.

[4]吳鵬，胡海峰，張鵬飛.談地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].低碳地產(chǎn)，2016（9）：312.

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