地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

張 利

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 南充 637000）

0 前言

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，提高了工程測量時測量精度的要求，但傳統(tǒng)測量技術(shù)的使用僅可以對工程局部點位進(jìn)行單點測量，且作業(yè)效率低、精度上需要反復(fù)校正。地面三維激光掃描技術(shù)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測量技術(shù)存在的不足，不僅可以同時對多個部位開展掃描作業(yè)，還極大程度地提高了的掃描效率，又能保證工程測量的精準(zhǔn)度。

1 地面三維激光掃描技術(shù)分類及原理

以測量方式對三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行分類，可以分為2 種即移動式、固定式激光掃描技術(shù)，后者在工程測量中的使用率更高，二者之間的差別在于固定式激光掃描技術(shù)通過收集點云數(shù)據(jù)進(jìn)行工程測量，具有較高的精確度，收集速度也較快，同時，實際操作時，不需要復(fù)雜的操作方法，而移動式三維激光掃描技術(shù)一般以車載平臺為載體，使用效率更低。

地面三維激光掃描技術(shù)的作業(yè)原理是借助激光對距離進(jìn)行測量（如圖1 所示），當(dāng)其在工作時，便會不斷收集并處理數(shù)據(jù)，配合激光的使用，測得掃描反射接收的激光強(qiáng)度，并為其匹配顏色灰度。該種測量技術(shù)所使用的掃描儀是以工程內(nèi)部為坐標(biāo)原點，實現(xiàn)對目標(biāo)的掃描，通常來說，將X軸視為水平面，而Y軸為掃描方向、Z軸為垂直方向，便可以得到某測量點的坐標(biāo)[1]。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測量原理

坐標(biāo)的計算公式如下。

式中：S—原點到被測點的距離。θ—掃描儀測得豎直掃描角度。α—掃描儀測得的水平掃描角度。

2 地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 直觀性較強(qiáng)

掃描技術(shù)能夠同GPS 技術(shù)一起使用，并以空間三維坐標(biāo)完成測量數(shù)據(jù)的收集與運(yùn)算，依托于點云數(shù)據(jù)的收集功能，定位各點的具體位置，以此為基礎(chǔ)，直觀地將空間模型展示出來。傳統(tǒng)工程測量技術(shù)獲取的點位密度低、地形特征表示不明顯，難以實現(xiàn)空間建模。但三維激光掃描技術(shù)能夠準(zhǔn)確且完整地收集空間三維數(shù)據(jù)，并在空間中進(jìn)一步向周圍延伸，為測量人員提供更為直觀的視覺效果。

2.2 數(shù)據(jù)采集效率高

數(shù)據(jù)采集效率高是掃描技術(shù)的另一個優(yōu)勢，該類測量技術(shù)可以采集云數(shù)據(jù)，在收集過程中，其速度可以達(dá)到每秒幾千甚至是幾萬點，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)測量技術(shù)無法比擬的。數(shù)據(jù)測量是工程測量作業(yè)中最為關(guān)鍵且重要的一項測量環(huán)節(jié)，而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接決定了工程后期的測量與施工，通過應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠減少測量誤差，同時還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面采集，以保證每個測量點都是在大量數(shù)據(jù)運(yùn)算后得到的，既保證了測量結(jié)果的精準(zhǔn)性與全面性，還極大程度地提高了數(shù)據(jù)采集的效率[2]。

2.3 分辨率和精準(zhǔn)度較高

地面三維激光掃描技術(shù)能夠以最快的速度采集三維數(shù)據(jù)，還可以達(dá)到非接觸數(shù)據(jù)收集的目的，具有較高的分辨率，這一優(yōu)勢的存在為數(shù)據(jù)的精確性提供保障。三維激光掃描技術(shù)可以還原物體，并在激光掃描的作用下精準(zhǔn)定位到測量點，借助各點將物體的位置進(jìn)行構(gòu)建與還原，由此可見，該項測量技術(shù)的分辨率較高。此外，三維激光掃描技術(shù)為非接觸式掃描，相對于傳統(tǒng)測量技術(shù)而言，掃描結(jié)果更精準(zhǔn)，且激光掃描的密度越高，其分辨率的精準(zhǔn)度越高。

3 地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的實際應(yīng)用

3.1 工程概況

在工程測量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，能夠高效地處理傳統(tǒng)測量技術(shù)在測量工作時無法解決的難題，例如測繪陡峭、破碎地形時，應(yīng)用掃描技術(shù)可以在不接觸的情況下對地形進(jìn)行測量，以此降低測量難度，為測量作業(yè)人員的作業(yè)安全提供保障。

以某工程為例，受地震以及強(qiáng)降雨的影響，該工程所處的位置局部區(qū)域出現(xiàn)了崩塌，且還遭受泥石流災(zāi)害，當(dāng)?shù)鼐用竦姆课輫?yán)重受損。基于此，借助三維激光掃描技術(shù)對當(dāng)?shù)匕l(fā)生泥石流區(qū)域的地形進(jìn)行測繪，以深入探查工程內(nèi)部實際情況。

該測繪工程的寬度約為80m，位于山谷中，兩邊山壁高度約為400m，經(jīng)初步測量，其平均坡度約為80°。沿道路一方的山壁上有零星碎石滾落，測量環(huán)境十分險惡，常規(guī)的GPS-RTK 以及全站儀均無法達(dá)到工程安全測量要求。

3.2 前期測繪準(zhǔn)備

測繪設(shè)備主要包括FARO 三維激光掃描儀X330，該儀器能夠在陽光直射下掃描最遠(yuǎn)距離為330 m 的物體，每1mm 的測距精度為25 處；視場角為360°×300°；1 臺全站儀，6 個掃描參考標(biāo)靶球，以及若干個標(biāo)靶紙。

將所使用的掃描儀的分辨率參數(shù)設(shè)置為1/4，質(zhì)量參數(shù)為4 倍，對工程進(jìn)行全景掃描并拍照，在測量任意一站時，測量時間均需控制在12min 左右，因該工程處于山谷中，山谷總長度為600m，因此分為3 段開展掃描工作。

掃描進(jìn)行過程中，須同時借助全站儀對參考標(biāo)靶坐標(biāo)進(jìn)行測量，并將其作為點云坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)系二者之間轉(zhuǎn)換的依據(jù)。對數(shù)據(jù)拼接進(jìn)行掃描，完成各坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換以及點云過濾，將所測得數(shù)據(jù)完整導(dǎo)出，便于后續(xù)地形圖測繪、土方量計算等測量工作的有序?qū)嵤3]。

3.3 地形圖測繪

因該工程所處的地理環(huán)境較為惡劣，且地形較為復(fù)雜，位于斷裂帶，傳統(tǒng)的測量技術(shù)及方法無法開展測量工作，且得到的測量數(shù)據(jù)不具備精準(zhǔn)性，對此，該工程選用固定式三維激光掃描技術(shù)開展地形測繪工作。測繪大體流程如下：對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出相關(guān)要素的特征點，編輯所獲得的特征點，實現(xiàn)地形圖的構(gòu)建。具體流程如下。

首先，提取并繪制特征點，提取工作是將路面上存在的特殊物體進(jìn)行提取，在該過程中，須應(yīng)用到三維激光掃描技術(shù)自身具備的數(shù)據(jù)處理功能，以人工的方式提取山谷中較高部位的位置，如山壁中心或偏下方，緊接著在收集到的特征點上安裝相關(guān)的格式完成數(shù)據(jù)傳輸，這一環(huán)節(jié)的目的是將特征點體現(xiàn)在大比例尺數(shù)字測繪軟件中，通過對軟件所呈現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行觀察與分析，實現(xiàn)對地物的測繪。

其次，生成等高線，完成地物測繪工作時，受山谷中地物以及植被的影響，無法保證測繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，對此，在實際測繪工作開展前，須清除植被、地物的點云數(shù)據(jù)，開展清除工作時，盡可能做到人工與自動化相結(jié)合，以此進(jìn)一步提高測量數(shù)據(jù)的精確度，同時，應(yīng)用平均面迭代法完成數(shù)據(jù)的去除工作，主要操作流程如下：刪除路面上極為明顯的非地貌數(shù)據(jù)，對一些用肉眼無法觀察到的數(shù)據(jù)如小型石子，便須應(yīng)用到平均面迭代法，計算所有數(shù)據(jù)的平均面，并刪除與該平面相距較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)，但需注意的是，不對所有非地貌數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，只有在對其進(jìn)行5～6次迭代后，才可以開展剩余數(shù)據(jù)刪除工作，以保證地貌數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)性。但在實際測繪中，會存在點位分布不均且點位密度大的問題，嚴(yán)重影響了等高線的整體效果，對此，工程的測繪人員對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并采用自動抽稀的方式，使各測繪數(shù)據(jù)達(dá)到地形測繪的要求。緊接著再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至軟件中，實現(xiàn)等高線的自動生成（如圖2 所示）。運(yùn)用掃描技術(shù)得到的等高線可以更為直觀地將其中內(nèi)容表現(xiàn)出來，還能夠大幅度提升數(shù)據(jù)等高線位置的精確度與可靠度，同時還能將地形的實際情況準(zhǔn)確地反映出來。

圖2 等高線地形圖

最后，編輯成圖，按照上述操作開展測繪工作時，獲得的等高線極易出現(xiàn)局部缺失、不光滑等問題，因此，該工程的測繪人員又進(jìn)行了編輯成圖的處理，原理是疊加等高線測繪圖以及地物圖形，通過全面觀察得出二者存在的差異性與不足，在此基礎(chǔ)上，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整與編輯，并在測繪圖紙中做好相應(yīng)的標(biāo)記。

3.4 土方量計算

傳統(tǒng)土方量計算時，通常使用水準(zhǔn)儀、全站儀等測量儀器，由測繪人員逐點測繪地物特征點三維坐標(biāo)，依托于坐標(biāo)系，建立TIN 得到土方，但采用該種方式獲取土方量存在較多的缺陷，不僅增加了外業(yè)測量的工作量，還需要內(nèi)業(yè)大量地計算，同時特征點的選擇是否合理也將影響了測量結(jié)果的精度。因此，該工程對測量與計算方式進(jìn)一步優(yōu)化，即應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)，以最快的速度收集數(shù)據(jù)，緊接著完成三維坐標(biāo)的測繪工作，最終準(zhǔn)確地得到土方量。主要操作流程如下。

首先，建立基準(zhǔn)面，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，應(yīng)用最小二乘法將處理過后的點云數(shù)據(jù)反映到該工程最初建設(shè)的實地坐標(biāo)系上，開展挖填土方計算工作前，測量人員先完成下述幾項工作即設(shè)計高程、掃描點云、在邊界建立起算基準(zhǔn)面。因該工程地形的復(fù)雜性，須結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定高程的具體位置，再將其平面作為基準(zhǔn)面。

其次，剔除地物，基準(zhǔn)面中存在影響測量結(jié)果的點云數(shù)據(jù)，須細(xì)致分析后全部剔除，這一工作環(huán)節(jié)與該工程地形圖測繪中非地貌數(shù)據(jù)剔除較為相似，但在開展該項工作前，盡可能去除周邊植被，因工程位于常發(fā)生山體滑坡的山谷中，因此植被的數(shù)量并不多，針對這一區(qū)間，可以直接對土方量進(jìn)行計算；但仍有部分區(qū)域如山壁腳下存在較多的植被，對該區(qū)域，須先過濾植被，再應(yīng)用平面迭代法完成土方量的計算。

最后，生成DEM 并完成土方量計算，完成影響測繪數(shù)據(jù)的地物剔除后，便可以整合剩余的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三維網(wǎng)TIN，這時就可以生成高精度數(shù)字高程模型，再將得到的模型同基準(zhǔn)面作差，以此準(zhǔn)確得出填挖土方量[4]。

3.5 道路竣工測量

道路測量是工程測量過程中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容，實際道路測量中，主要包括道路縱橫斷面測量及完成道路竣工測量繪制道路樣本圖。傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法滿足該工程復(fù)雜的道路結(jié)構(gòu)，且獲得的測量數(shù)據(jù)也不具有參考價值，甚至?xí)?yán)重影響后續(xù)三維模型的建立。因此，測量人員在該工程中應(yīng)用了地面三維激光掃描技術(shù)，直接利用激光對道路的橫斷面以及地形地貌進(jìn)行掃描，不僅大幅度地提升了測量效率，還極大程度地保證了測繪結(jié)果的精準(zhǔn)度。此外，該項技術(shù)具體實現(xiàn)較為簡單，僅涉及3 個環(huán)節(jié)：其一，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，其二，提取特征點的三維坐標(biāo)，以達(dá)到自動生成等高線的目的，其三，完成道路橫縱斷面以及樣圖的繪制[5]。

3.6 建立三維模型

該工程周邊存在較多房屋，且有居民居住，盡管受泥石流、地震等自然災(zāi)害的影響，但仍有大部分的居民選擇繼續(xù)在該地居住，還有部分居民受經(jīng)濟(jì)、身體因素等限制，而不得不在此居住，為工程測量工作的展開增大了難度。基于此，選用地面三維激光掃描技術(shù)開展該工程的測量作業(yè)，并在技術(shù)的支持下，搭建精細(xì)化的三維模型，以保證即使在不接觸當(dāng)?shù)胤课莸那闆r下，也可以獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，為三維模型的建立提供數(shù)據(jù)支持，對房屋的各細(xì)節(jié)特征進(jìn)行測繪，以此確保房屋在測量作業(yè)時不受破壞。將該技術(shù)應(yīng)用于該工程三維建模工作中的具體流程如下：1）建模，處理點云數(shù)據(jù)，利用三維激光掃描技術(shù)開展建模的方式有2 種，其一，借助點云建立三維網(wǎng)模型，其二，依托于點云數(shù)據(jù)，利用3DMAX 繪圖軟件完成建模。使用前者開展建模作業(yè)時，須全面分析點云數(shù)據(jù)的疏密程度，并保證三角網(wǎng)的數(shù)量具有較多的紋理信息，而后者的技術(shù)實現(xiàn)原理是應(yīng)用點云數(shù)據(jù)，對規(guī)則形體的剖面進(jìn)行繪制，但需達(dá)到工程測量對精度的要求。2）紋理映射，該環(huán)節(jié)開展的目的是增強(qiáng)三維模型的真實感，確保所繪模型與房屋實際構(gòu)造相一致。映射原理是利用掃描儀上的數(shù)碼相機(jī)獲得紋理相關(guān)信息，以達(dá)到紋理映射的目的。

對該工程而言，在構(gòu)建三維模型時，因各房屋的位置、布置方式等均不同，因此實際建模時，針對周邊情況，設(shè)計了2 種建模方式：1）精細(xì)化三維建模，利用掃描技術(shù)獲取大量的影像數(shù)據(jù)以及三維點云數(shù)據(jù)，合理應(yīng)用所測數(shù)據(jù)構(gòu)建房屋的三維模型，還可以獲取到某房屋中小范圍的三維真實尺寸場景，但這時的模型無法達(dá)到觀看效果，因此，須應(yīng)用到紋理映射為三角網(wǎng)面片注入色彩，在處理其邊緣，整合多個三角網(wǎng)面為一個模型，以此獲得房屋真實尺寸彩色三維模型。精細(xì)化三維模型的建立，能夠大幅度提高測繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可以將房屋的實際情況直觀地反映出來，實現(xiàn)對不同距離以及凹凸紋理的精細(xì)化測量。2）復(fù)雜設(shè)備建模，該工程在實際測量過程中，因房屋以及周邊設(shè)備管線的不合理布設(shè)，增大了測量難度，因此，開展測量工作前，先對各管線進(jìn)行重新布局與規(guī)劃，為了使該項工程不影響當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娦枨?，便?yīng)用到了地面三維激光掃描技術(shù)，將管線排布方式構(gòu)建成3D 模型，通過模型的構(gòu)建，不僅提高了工程測量前期準(zhǔn)備工作的效率，為后續(xù)工程有序測量提供保障，還使工程周邊房屋以及各管線排布可視化，為設(shè)備管線的重現(xiàn)規(guī)劃與改造提供精確化的模型依據(jù)。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有高分辨率、高精確度等測量優(yōu)勢，能夠高效地完成地形圖繪制、土方量計算等測量項目，還可以借助三維軟件，針對待測量對象構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)測量技術(shù)的有效補(bǔ)充，可以實現(xiàn)非接觸式測量，適用于復(fù)雜地形的高精度測量，從根本上提高了工程測量的效率和精度。同時，三維激光掃描技術(shù)也在其他很多領(lǐng)域有不同的應(yīng)用，而且三維激光掃描技術(shù)也在不斷研發(fā)與創(chuàng)新中，必將獲得更為廣闊的應(yīng)用前景。