工程測繪中關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的運用

黃國龍

（江西有色地質(zhì)勘查一隊，江西 鷹潭 335000）

為更好的建設(shè)現(xiàn)代化社會，滿足社會發(fā)展需要，各種現(xiàn)代化工程的建設(shè)是必不可少的，如水利工程、發(fā)電工程、交通運輸工程等等。在各種工程建設(shè)中，測繪是其中一個重要環(huán)節(jié)，其作用獲得反映地面現(xiàn)狀的圖形和位置信息，以供工程建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計和行政管理之用。是工程項目順利進(jìn)行的基礎(chǔ)和前提。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程測繪技術(shù)也有了很多種類，如全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)、激光掃描技術(shù)。其中，激光掃描技術(shù)是現(xiàn)代工程測繪中最常用的技術(shù)，與其它技術(shù)測繪技術(shù)相比，該技術(shù)具有測量范圍廣、效率高、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。

關(guān)于三維激光掃描技術(shù)在很多方面都得到了廣泛應(yīng)用，如，張維強將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到了古建筑的測繪中，為古建筑修復(fù)工作提供了極大的便利；房延偉將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到了地籍測繪中，給土地調(diào)查工作提供了極大的幫助。劉寶樂將三維激光掃描儀技術(shù)運用到隧道工程中，給隧道工程的開挖和修建工作提供了可靠的依據(jù)[1]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到工程測繪中，運用過程包括點云信息采集、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云配準(zhǔn)和三維模型建立。最后經(jīng)過實例測試，證明了三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用效果。通過本研究以期為工程測繪工作提供參考和借鑒。

1 三維激光掃描技術(shù)在工程測繪工作中的運用

工程測繪工作的任務(wù)是為工程建設(shè)提供所在范圍內(nèi)的地面現(xiàn)狀的圖形和位置信息，是工程方案設(shè)計和施工的前提和基礎(chǔ)。三維激光掃描技是現(xiàn)代測繪中常用的一種技術(shù)，其原理是通過想目標(biāo)范圍內(nèi)的目標(biāo)物體發(fā)射高頻激光脈沖，當(dāng)激光脈沖達(dá)到目標(biāo)物體表面后，激光會被原路反射回來，然后采集這些反射回來的激光點，最后結(jié)合激光測距的原理，就可以計算出激光點在目標(biāo)物體上海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即點云數(shù)據(jù)。

激光測距原理如下圖1 所示。

圖1 掃描點的坐標(biāo)計算原理

其中，點P 代表目標(biāo)點，S 代表掃描儀距離、α 代表角方位，β 代表高度角。

點P 的空間三維坐標(biāo)計算公式如下：

1.1 點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)采集是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)主要利用三維激光掃描儀來完成。三維激光掃描儀主要由激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、電源、GPS 定位裝置、配套附屬設(shè)備以及后處理軟件組成，其工作原理如下圖2 所示。

圖2 三維激光掃描儀采集原理

1.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在維激光掃描儀采集點云數(shù)據(jù)后，還需要進(jìn)行預(yù)處理，才能為后續(xù)三維建模所用。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括點云數(shù)據(jù)去噪、點云數(shù)據(jù)壓縮和點云數(shù)據(jù)封裝等三部分[2]。

（1）點云數(shù)據(jù)去噪：原始點云數(shù)據(jù)在采集的過程中，受到采集設(shè)備本身以及環(huán)境因素的影響，其中包含了大量的無用數(shù)據(jù)，這些無用數(shù)據(jù)因為含有大量誤差，因此也被成為噪聲點。噪聲數(shù)據(jù)的存在會降低三維坐標(biāo)的計算精度，同時也會增加計算量，因此需要去噪處理。在這里可以采用拉普拉斯濾波法、雙邊濾波法、中值濾波法、均值濾波法等進(jìn)行去噪處理。

（2）點云數(shù)據(jù)壓縮：三維激光掃描技術(shù)與其它測繪技術(shù)相比，精度更高。而這一優(yōu)點的實現(xiàn)主要依賴大量的點云數(shù)據(jù)。大量的點云數(shù)據(jù)雖然能夠更為全面、準(zhǔn)確的描繪目標(biāo)物體，但是與此同時，大量的點云數(shù)據(jù)也增加了后續(xù)的處理時間，個系統(tǒng)帶來了巨大壓力，因此在不影響測繪的目的下，需要進(jìn)行壓縮處理。壓縮處理方法主要包括統(tǒng)一采樣法、曲率采樣法、等間距采樣法、隨機(jī)抽樣法等幾種。

（3）點云數(shù)據(jù)封裝。將處理好的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，即按就近原則連接相鄰數(shù)據(jù)點，創(chuàng)建多邊形幾何模型。

1.3 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點云數(shù)據(jù)一般來自不同的測站，每一測站負(fù)責(zé)一部分點云數(shù)據(jù)的獲取，因此采集的點云數(shù)據(jù)并不是完整的，需要將每一測站的點云數(shù)據(jù)映射到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中，構(gòu)成一個大的目標(biāo)區(qū)域的完成點云數(shù)據(jù)。以上過程就被成為點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。目前點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法主要有三種種，即基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)方法、基于特征點的配準(zhǔn)方法和基于ICP 算法拼接方法。具體如下表1 所示。

表1 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法對比表

1.4 三維模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建是三維激光掃描技術(shù)的最后一個環(huán)節(jié)，即利用上述處理好的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型構(gòu)建。在這里需要借助一種強大的后處理軟件——Cyclone8.03 軟件進(jìn)行建模，建模流程主要包括兩項任務(wù)，即粗建模和紋理映射。前者過程是將處理的好的點云數(shù)據(jù)按照最近原理來構(gòu)造的三角網(wǎng)格面，使得整個輪廓不但接近目標(biāo)原型，然后再通過曲面擬合的方法，經(jīng)過反復(fù)的修補、光滑，完成對三維模型的構(gòu)建。后者為了使生成的三維模型看起來更具有逼真的效果，需要對模型進(jìn)行紋理映射。這里需要利用事先采集目標(biāo)物體的表面圖像，獲得其紋理圖像，然后將得到的紋理圖像與建立的三維模型進(jìn)行重合和疊加，使得三維圖像接近更加立體和形象。

2 三維激光掃描技術(shù)在工程測繪工作中的運用效果分析

為明確三維激光掃描技術(shù)在工程測繪工作中的運用效果，在這里通過一個具體的實例進(jìn)行驗證[3]。

2.1 測繪工程概況

為解決某地枯水期的供水問題，需要在該地上游地區(qū)修建一座以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電等綜合效益的重大水利樞紐工程。為保證工程建造的順利進(jìn)行，需要對該地區(qū)方圓5 里的地形有一個全面的了解。為此，以該地區(qū)為研究區(qū)，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測繪研究。研究區(qū)部分地形原始圖像如下圖3 所示。

圖3 研究區(qū)部分地形原始圖像

2.2 三維激光掃描儀

選取ILRIS 3D 激光掃描儀對研究區(qū)進(jìn)行全面掃描，獲取點云數(shù)據(jù)。ILRIS 3D 激光掃描儀性能參數(shù)如下表2 所示。

表2 ILRIS 3D 激光掃描儀性能參數(shù)

2.3 建模結(jié)果

利用Cyclone8.03 軟件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)處理和建模，建模結(jié)果如下圖4 所示。

圖4 研究區(qū)部分地形三維圖像

2.4 誤差分析

從圖4 中選取5 個位置點的不同坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實際位置數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計算，以判斷建模的精確度。結(jié)果如下表3 所示。

表3 建模精度

從表3 中可以看出，三維激光掃描技術(shù)建立的模型中取5 個位置點的不同坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實際位置數(shù)據(jù)之間的誤差一般在5mm到8mm 之間，誤差較小，說明三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的運用效果較好。

3 結(jié)束語

綜上所述，在工程測繪中，對所在建設(shè)區(qū)的地形中掌握是必不可少的。在各種測繪技術(shù)中，三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)在最常用的一種技術(shù)。為此，本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到工程測繪當(dāng)中，并對其應(yīng)用過程進(jìn)行了具體分析，最后通過具體工程實例，證明了該技術(shù)的建模精度較高，在工程測繪當(dāng)中發(fā)揮了重要作用。