地面三維激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用研究

王晶晶

（山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南 250002）

地面三維激光掃描是在現(xiàn)階段科學技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種新型專業(yè)測量技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的人力測量和3S技術(shù)來說，利用激光進行數(shù)據(jù)的測量，不僅在準確性方面有所提升，還可以實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)檢測，在很大程度上簡化了數(shù)據(jù)測量的流程和步驟，對現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)測量技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響。但是其作為一種新型的技術(shù)，由于需要相關(guān)設(shè)備的支撐，在發(fā)展的過程中還存在落實方面的問題，這在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣。所以在發(fā)展的過程中，需要相關(guān)人員加強對地面三維激光測量技術(shù)的重視和研究，將現(xiàn)代社會需求與測量技術(shù)工作結(jié)合起來，推動技術(shù)發(fā)展的同時促進社會的發(fā)展。

1 地面三維激光掃描測量技術(shù)概述

1.1 地面三維激光掃描技術(shù)的概念

在現(xiàn)階段社會的發(fā)展過程中，科學技術(shù)日新月異，在測量掃描技術(shù)方面，也出現(xiàn)了各種新型的技術(shù)。三維激光掃描測量技術(shù)是在激光技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型測量技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。在運行過程中，三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后對這些信息進行分析整理，就可以得出對象的具體數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型[1]。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)來說，激光測繪技術(shù)具有很強的優(yōu)勢性，已經(jīng)得到了相關(guān)人員的重點關(guān)注。

1.2 地面三維激光掃描技術(shù)的程序和特點

三維激光掃描技術(shù)主要通過高速激光掃描測量的方法，對需要掃描的對象進行測量，然后大面積高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)，并且測出測量對象的反射率以及顏色等信息。然后將這些信息傳輸?shù)接嬎銠C等設(shè)備中進行具體的分析和整理，從而復制出1∶1的真彩色三維點云模型。該模型中包含著測量對象的各種信息，能夠在很大程度上滿足測量工作的需要，為后續(xù)的業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)分析等活動都提供了足夠數(shù)量并且十分精準的數(shù)據(jù)。而且通過三維激光技術(shù)進行測量，還具有快速性、效益高、不接觸性、穿透性、動態(tài)、主動性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化和實時性強等優(yōu)勢[2]。相較于傳統(tǒng)的3S測量技術(shù)來說，三維激光技術(shù)在發(fā)展過程中實現(xiàn)了技術(shù)的再突破，打破了目前空間信息技術(shù)發(fā)展實時性與準確性的頸瓶，實現(xiàn)了對測量對象的多點測量。

1.3 激光技術(shù)的應(yīng)用設(shè)備和應(yīng)用環(huán)節(jié)

在三維技術(shù)的發(fā)展過程中，相關(guān)人員結(jié)合激光掃描的特點，研發(fā)出了專業(yè)的測量設(shè)備，即三維激光掃描儀，三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項高新技術(shù)，是通過激光測距原理瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器，并利用三維技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù)，快速建立結(jié)構(gòu)復雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型。三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。這些設(shè)備共同組合成了三維激光掃描測量系統(tǒng)，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。該設(shè)備主要應(yīng)用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪以及各種工程建設(shè)中。

2 地面三維激光掃描測量技術(shù)的優(yōu)勢和缺陷

激光掃描技術(shù)作為3S測量技術(shù)的上位替代，必須要具有很大的優(yōu)勢，才能在現(xiàn)階段發(fā)展過程中快速推進?，F(xiàn)階段的激光掃描技術(shù)在發(fā)展的過程中克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)只能進行單點測量的問題，可以實現(xiàn)多點同時測量，很大程度上保證了數(shù)據(jù)的精準性。然而激光測量也存在本身的劣勢，相關(guān)人員要想將其應(yīng)用到現(xiàn)代工程檢測環(huán)節(jié)，就需要同時了解其優(yōu)勢和缺陷，這樣才能更好地發(fā)揮激光掃描的優(yōu)勢，避免在應(yīng)用環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

2.1 地面三維激光掃描測量技術(shù)的優(yōu)勢

作為在3S技術(shù)基礎(chǔ)上提升而來的一種全新的測量技術(shù)，地面三維激光主要特點首先是具有較高的精準度，傳統(tǒng)的測量技術(shù)很容易就會受到外界自然環(huán)境的影響，造成測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，3S測量技術(shù)雖然在一定程度上能夠規(guī)避外在環(huán)境以及惡劣天氣對實驗結(jié)果造成的影響，但是其只能實現(xiàn)單點測量，相較于地面三維激光技術(shù)的多點測量就存在精準度方面的差距。其次，設(shè)備的智能化程度較高。通過三維激光掃描儀進行的測量工作，相關(guān)人員只需要設(shè)置好參數(shù)和測量位置，設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運行，在數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)收集以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)實現(xiàn)全流程的自動化。而且在發(fā)展過程中，計算機按照事先設(shè)置好的程序進行工作，一旦工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差，還能夠自主進行糾正，智能化程度較高。再次，信息收集范圍廣。地面三維激光掃描技術(shù)收集到的信息范圍相較于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)來說也較為廣泛，該技術(shù)實現(xiàn)了多點位的測量作業(yè)，并且利用激光的性能實現(xiàn)對測量對象全方位檢測，能夠快速而且準確地收集到大量的數(shù)據(jù)信息。后臺系統(tǒng)在接收到這些信息之后，能夠通過相關(guān)軟件進行自動化的處理，并建立起三維的虛擬模型，更加直觀而且全面地展現(xiàn)對象的信息。最后，能夠提升測量工作的效率。傳統(tǒng)的測量技術(shù)在信息收集環(huán)節(jié)無法甄別錯誤信息，往往會將收集到的信息全部傳輸?shù)接嬎銠C中，還需要專業(yè)的人員進行篩選，這在一定程度上影響了測量工作的效率[3]。地面三維激光測量技術(shù)在對大量的信息進行存儲的過程中，能夠顯示出來有問題的數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)人員快速篩選信息。而且該技術(shù)設(shè)備較為簡單，測量工作開展方便，能夠在很大程度上提升測量的效率。

2.2 地面三維激光掃描技術(shù)的缺點

地面三維激光掃描測量技術(shù)作為現(xiàn)階段社會發(fā)展過程中出現(xiàn)的新型測繪技術(shù)，對測量行業(yè)的精度提升很大，具有很強的優(yōu)勢性。但是在其發(fā)展過程中，由于技術(shù)性等方面的原因，其也存在一些缺陷。首先，作為科學發(fā)展的產(chǎn)物，地面激光三維掃描技術(shù)具有很強的技術(shù)性，需要借助激光掃描儀才能夠?qū)崿F(xiàn)測量作業(yè)，所以相關(guān)人員在進行測量的過程中就需要花費大量的資金進行設(shè)備的購買，而且相應(yīng)的三維模型建立也需要專業(yè)的軟件進行操作，也需要一定的成本，前期投入的資金量比較大。其次，技術(shù)性較強也帶來另一重要問題，這就需要專業(yè)技術(shù)人員的支撐，激光掃描儀雖然在一定程度上實現(xiàn)了測量作業(yè)的自動化，還能夠?qū)崿F(xiàn)問題自動甄別，但是前期的儀器參數(shù)設(shè)置以及后期的信息篩選甚至是三維模型的建立都需要技術(shù)人員的參與，就需要專業(yè)的技術(shù)支撐。最后，設(shè)備的應(yīng)用環(huán)節(jié)問題。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)來說，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展較晚，專業(yè)人員對其的研究還未深入，現(xiàn)階段激光掃描技術(shù)還停留在淺層的利用方面，這就造成技術(shù)推廣方面存在問題，或者是測量對象錯誤等問題，也在一定程度上影響了地面三維激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用。然而即便如此，該技術(shù)依然具有很強的優(yōu)勢性，其存在的問題相較于其優(yōu)勢可以說是瑕不掩瑜，相關(guān)人員在利用的過程中就需要能夠針對該技術(shù)產(chǎn)生不良影響的各種因素采取必要的預(yù)防措施，在避免其缺陷的前提下進行該技術(shù)的使用，并在應(yīng)用環(huán)節(jié)對其進行完善。

3 地面三維激光掃描測量技術(shù)的具體應(yīng)用

作為測量技術(shù)的一種，地面三維激光的功能主要就在于實現(xiàn)對各種工程的測量，從而方便后續(xù)工作的開展，所以如何將地面三維激光測量技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)階段社會的發(fā)展過程中才是相關(guān)人員需要考慮的問題。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)來說，地面三維激光掃描技術(shù)具有很強的優(yōu)勢性，在保證質(zhì)量的同時能顯著地提升測量效率，所以在發(fā)展的過程中，地面三維激光測量應(yīng)該成為傳統(tǒng)測量技術(shù)的上位替代。但是在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，由于實際環(huán)境和各種因素的影響，該技術(shù)在使用范圍方面也會受到一定的限制?，F(xiàn)階段的地面三維激光測量技術(shù)主要適配于文物數(shù)字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化以及城鄉(xiāng)規(guī)劃等各個環(huán)節(jié)。

3.1 地形圖繪制

在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，為了進一步規(guī)劃資源利用和促進現(xiàn)代化的發(fā)展，相關(guān)人員在發(fā)展過程中就需要針對地形進行測量，以方便公路鐵路以及各種工程的建設(shè)。但是由于相關(guān)工程結(jié)構(gòu)較為復雜，對質(zhì)量的需求很高，工作人員就需要在對當?shù)氐刭|(zhì)以及地形等特征進行了解之后進行工程的建設(shè)，這樣才能保證工程的質(zhì)量。地面三維激光測量技術(shù)作為先進的測量手段，可以應(yīng)用在地形圖測繪的等高線生成、獲取特異點、提取地物與繪制以及編織成圖等環(huán)節(jié)。在提取地物與繪制環(huán)節(jié)，由于我國的地形復雜多樣，山地、丘陵、斷壁以及懸崖等較為特殊的區(qū)域常規(guī)測量手段難以實現(xiàn)對其的測量，就可以通過地面三維激光掃描技術(shù)以一種無接觸方式實現(xiàn)對該地區(qū)的測量。這樣一來，就能在很大程度上保證數(shù)據(jù)測量的完整性。在等高線的繪制方面，等高線作為確定地形圖展示實際高度的重要指標，在地形圖測繪中具有重要的作用。地面三維激光測量技術(shù)可以實現(xiàn)對該區(qū)域全程的信息采集，然后經(jīng)由相關(guān)人員對地物、植被進行剔除，借助平均面迭代法計算出平均面[4]。之后在經(jīng)由專業(yè)的設(shè)備剔除與平均面有較遠距離的數(shù)據(jù)，重復此操作，就能夠得到較為完整的地貌數(shù)據(jù)。然后就是把抽稀之后所得到的點云數(shù)據(jù)導入大比例尺數(shù)字測圖軟件當中，便能夠自動生成所需要的等高線。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)來說，激光測量具有較為明顯的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)的精準度和測量效率方面均有所提升。而在特征點獲取環(huán)節(jié)也需要激光技術(shù)的運用。特征點是指實際地形中具有鮮明特點的事物或建筑，運用地面三維激光掃描技術(shù)，首先針對區(qū)域?qū)嶋H情況進行掃描，該技術(shù)就能自動尋找到標志性的建筑物或者是特別容易甄別的地貌。這樣一來，就能夠為地形圖的繪制提供參考點，避免相關(guān)測繪環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤。最后就是編制成圖環(huán)節(jié)。地面三維激光測量還具有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過事先檢測到的具體數(shù)據(jù)，計算機以及專業(yè)的系統(tǒng)軟件就能在電腦上實現(xiàn)對該區(qū)域的建模，然后就可以根據(jù)模型進行地形圖的繪制。用地面三維激光掃描技術(shù)開展地形圖測繪，不僅降低了相關(guān)人員外景采集的難度，還在很大程度上保證了測量信息的準確性，是對傳統(tǒng)地形測繪的巨大提升。

3.2 土方量計算環(huán)節(jié)

地面三維激光測量技術(shù)不僅能適用于地形的測量，還能夠應(yīng)用在工程方面，對土方量進行測量。土方量是指建筑工程施工環(huán)節(jié)挖土、填土以及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)土的立方米總量，在工程發(fā)展過程中具有重要的作用，其精準度直接影響相關(guān)建筑工程的質(zhì)量。在將地面三維測量技術(shù)應(yīng)用到該環(huán)節(jié)時，首先需要根據(jù)工程的實際需要，對土方填挖量進行計算，借助激光技術(shù)，收集道路的縱橫斷。其次在收集邊坡以及道路縱橫斷等各種信息，按照相關(guān)的技術(shù)指標構(gòu)建曲面模型，從而將建筑的整體需求展現(xiàn)在模型中，這樣一來，相關(guān)建筑人員就能夠根據(jù)模型得到準確而全面的數(shù)據(jù)，從而降低工程建設(shè)環(huán)節(jié)難度[5]。最后就是將曲面模型和地面模型按比例進行增減計算，激光技術(shù)就可以通過計算機以及相關(guān)軟件計算出土方的量，從而核算土方量是否一致，保證工程的順利實行。此外，針對建筑工程的基準面也要多加關(guān)注，在發(fā)展過程中利用激光技術(shù)測量出基于工程的高程及邊界建立基準面，在處理好點云數(shù)據(jù)后，將其進行坐標系轉(zhuǎn)換，使之處于工程實地坐標系當中，并通過最小二乘法來完成起算基準面的構(gòu)建，還可以根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)的調(diào)整。這樣一來，就能夠在很大程度上保證建筑工程的順利開展，從而促進建筑事業(yè)的發(fā)展。

3.3 道路數(shù)據(jù)測量

現(xiàn)階段，社會的發(fā)展離不開交通事業(yè)的支持，道路作為交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成，在社會發(fā)展過程中承擔著重要的任務(wù)。道路對于質(zhì)量有著較高的要求，而且往往會經(jīng)過各種復雜的地形以及環(huán)境惡劣的地區(qū)，這就需要根據(jù)實際情況進行工程的建設(shè)。將地面三維激光測量技術(shù)運用到道路的建設(shè)過程中，就能在很大程度上提升道路建設(shè)的質(zhì)量和效率。一方面，針對道路的高程測量，在三維激光掃描出現(xiàn)以前，相關(guān)人員在進行道路的高程測量工作時需要耗費大量的精力，還需要借助水準儀以及塔尺等工具進行測量，不僅效率低下，還很容易產(chǎn)生偏差。三維激光掃描技術(shù)通過系統(tǒng)自動進行相關(guān)數(shù)據(jù)的掃描，選擇出特征點，并計算出特征點之間的距離，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_處理系統(tǒng)中，進行模型的構(gòu)建，這樣一來，就能夠通過模型和實際地形的對照，經(jīng)過修整之后實現(xiàn)對道路高層的測量。而在道路竣工測量中，傳統(tǒng)的測量方法需要大量的設(shè)備進行具體數(shù)據(jù)的收集，工作量十分艱巨，在一定程度上阻礙了工程的發(fā)展[6]。將三維激光技術(shù)應(yīng)用到竣工測量中，激光測量儀就能自動對道路樣圖與縱橫斷進行測繪，并基于點云數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)坐標系的轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)三維坐標的自動提取以及道路樣圖的繪制，在很大程度上提升竣工檢測的效率。

3.4 三維建模

傳統(tǒng)的測量手段和三維激光測量技術(shù)最大的差異就是地面三維激光技術(shù)能夠?qū)y量對象進行三維建模，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形信息，在保證數(shù)據(jù)精準度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了效率的提升，所以該技術(shù)在三維建模方面發(fā)展迅速。一方面，借助地面三維激光掃描技術(shù)信息收集的廣泛性特征，相關(guān)人員能夠得到海量的測量對象的各種信息以及三維點云數(shù)據(jù)，為三維真實尺寸場景的制作提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐，相關(guān)人員能夠憑借這些數(shù)據(jù)，再結(jié)合紋理映射所生成的彩色三角網(wǎng)面片，建立起對應(yīng)各種信息的分塊模型，然后將分塊模型進行整合，實行邊緣模糊化處理之后，就可以構(gòu)建一個尺寸真實且信息精準的彩色模型，增加了模型制作的精細程度。另一方面，現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展過程中的設(shè)備越發(fā)復雜，傳統(tǒng)的建模手段難以滿足發(fā)展的需要，通過三維激光測量技術(shù)的使用，便能得到精確度更高的3D模型，并且還能提供具有可視化效果的三維模型，在很大程度上促進了工業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，由于城市化發(fā)展和社會進步的需要，測量技術(shù)的重要性與日俱增，地面三維激光測量技術(shù)作為現(xiàn)代社會測量技術(shù)的重要組成，相較于其他技術(shù)來說具有很強的優(yōu)勢，需要相關(guān)人員加強對其的重視程度。但是作為新興的測量技術(shù)，要想充分地發(fā)揮其功能，相關(guān)人員還需要解決該技術(shù)在發(fā)展過程中存在的問題，并且結(jié)合激光技術(shù)本身的特點，將其應(yīng)用在合適的方面，最大程度上發(fā)揮出三維激光掃描測量技術(shù)的功能和優(yōu)勢，促進我國測量技術(shù)的發(fā)展進步。