三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用

摘要：隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的不斷推進(jìn)，如何利用現(xiàn)代科技手段提升農(nóng)村建設(shè)的質(zhì)量和效率，成為亟待解決的問題。三維激光掃描技術(shù)作為一種快速、高精度的三維數(shù)字化手段，正在農(nóng)村建設(shè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。就三維激光掃描技術(shù)的定義、分類、優(yōu)勢(shì)和局限性、新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀與問題，以及三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用前景和實(shí)踐案例等方面進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；新農(nóng)村建設(shè)；應(yīng)用隨著我國城市化進(jìn)程的加速和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新農(nóng)村建設(shè)已成為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)重要方面。新農(nóng)村建設(shè)旨在改善農(nóng)村居民的生產(chǎn)生活條件，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興。然而，傳統(tǒng)的農(nóng)村建設(shè)方式存在很多問題，如缺乏科學(xué)規(guī)劃、落后的建筑設(shè)計(jì)和工程管理等，致使農(nóng)村建設(shè)質(zhì)量和效率難以保證。因此，如何借助現(xiàn)代科技手段提升農(nóng)村建設(shè)的質(zhì)量和效率，成為亟待解決的問題。

1三維激光掃描技術(shù)的概述

1.1三維激光掃描技術(shù)的定義和原理

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，能夠快速、精確地獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息。該技術(shù)通過激光束掃描物體表面，并記錄下光線的時(shí)間和位置信息，根據(jù)這些信息計(jì)算出光線與物體表面的交點(diǎn)坐標(biāo)，從而獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息。將多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，就可以得到物體的三維數(shù)字化表示［1］。因此，三維激光掃描技術(shù)是一種高精度、高效率的三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)的原理是利用激光束與物體表面的相互作用關(guān)系來實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)信息的測(cè)量。激光掃描儀發(fā)射高頻激光束，激光束在物體表面反射后，被激光掃描儀接收到，從而得到激光束的時(shí)間和位置信息。通過測(cè)量激光束發(fā)射和接收的時(shí)間差，再結(jié)合激光束的傳播速度，可以計(jì)算出光線從激光掃描儀到物體表面的距離。在測(cè)量物體表面的三維坐標(biāo)時(shí)，需要將激光掃描儀沿著一定的掃描路徑移動(dòng)。在每個(gè)掃描位置上，激光掃描儀都會(huì)記錄下一系列的光線數(shù)據(jù)，包括光線的發(fā)射和接收時(shí)間，以及光線與物體表面的交點(diǎn)坐標(biāo)。這些點(diǎn)的集合就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以得到物體的三維數(shù)字化表示。

1.2三維激光掃描技術(shù)的分類

根據(jù)激光掃描儀的掃描方式和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，三維激光掃描技術(shù)可以分為以下幾類：（1） 時(shí)間差測(cè)量法。時(shí)間差測(cè)量法是最早應(yīng)用于三維激光掃描技術(shù)中的一種方法。它通過測(cè)量激光束從激光發(fā)射器發(fā)出后到反射回來的時(shí)間來計(jì)算出距離，進(jìn)而得到物體表面的三維坐標(biāo)信息。時(shí)間差測(cè)量法掃描速度較慢，適用于對(duì)精度要求較高的場景，如建筑物的三維掃描等［2］。（2） 相移法。相移法是一種通過對(duì)被測(cè)物體表面反射回來的激光光線進(jìn)行相移分析，從而得到物體表面形狀信息的方法。相比于時(shí)間差測(cè)量法，相移法的掃描速度更快，適用于對(duì)掃描速度要求較高的場景，如汽車、飛機(jī)等工業(yè)制品的三維掃描。（3） 相位測(cè)量法。相位測(cè)量法是一種通過分析被測(cè)物體表面反射回來的激光光線的相位變化，從而得到物體表面形狀信息的方法。相比于時(shí)間差測(cè)量法和相移法，相位測(cè)量法的測(cè)量精度更高，適用于對(duì)精度要求較高的場景，如雕塑、文物等藝術(shù)品的三維掃描。（4） 全景掃描法。全景掃描法是一種通過掃描儀在一個(gè)固定位置進(jìn)行全方位掃描，從而得到物體表面三維信息的方法。全景掃描法可以快速地獲取物體的三維信息，適用于對(duì)掃描速度和效率要求較高的場景，如室內(nèi)外環(huán)境的三維掃描。

1.3三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性

三維激光掃描技術(shù)在許多領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用，主要是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：（1） 高精度：激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)別的精度，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息［3］。（2） 非接觸式測(cè)量：激光掃描技術(shù)不需要與被測(cè)物體接觸，避免了物體表面的磨損和變形，同時(shí)也降低了操作人員的受傷風(fēng)險(xiǎn)。（3） 大范圍測(cè)量：激光掃描技術(shù)可以掃描大范圍的物體，不受物體大小和形狀的限制，適用于復(fù)雜的幾何形狀和大型建筑物的測(cè)量。（4） 高效性：激光掃描技術(shù)可以快速地獲取大量的數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間成本。

盡管三維激光掃描技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些局限性：（1） 成本高：激光掃描儀設(shè)備價(jià)格昂貴，而且需要配備高性能的計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，增加了使用成本。（2） 受環(huán)境影響：激光掃描技術(shù)受到光線、溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，環(huán)境條件不良會(huì)影響掃描的精度和準(zhǔn)確性。（3） 大數(shù)據(jù)處理難度高：三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)量龐大，處理和分析數(shù)據(jù)需要高級(jí)的計(jì)算機(jī)和軟件，難度較大。

2新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展現(xiàn)狀與問題

2.1新農(nóng)村建設(shè)的意義和目標(biāo)

新農(nóng)村建設(shè)是指在保持農(nóng)村傳統(tǒng)文化和生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的全面升級(jí)，建設(shè)現(xiàn)代化的鄉(xiāng)村社會(huì)。新農(nóng)村建設(shè)的意義在于推動(dòng)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)村居民生活水平的提高，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的落實(shí)。新農(nóng)村建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化和生態(tài)環(huán)境的全面發(fā)展，打造宜居宜業(yè)宜游的鄉(xiāng)村社會(huì)，讓農(nóng)村成為生態(tài)文明建設(shè)的主陣地和綠色發(fā)展的先行區(qū)。同時(shí)，新農(nóng)村建設(shè)還要注重發(fā)揚(yáng)農(nóng)村優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化，提高農(nóng)村文化素質(zhì)，推動(dòng)農(nóng)村文化創(chuàng)新和發(fā)展。

2.2新農(nóng)村建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)和問題

新農(nóng)村建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)和問題是多方面的。首先，由于城市化的快速發(fā)展，許多農(nóng)民選擇外出打工，農(nóng)村人口流失和農(nóng)村社會(huì)結(jié)構(gòu)的空心化。其次，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，特別是在通訊、交通、教育、醫(yī)療等方面與城市存在較大的差距，不利于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展［4］。同時(shí)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單一，缺乏技術(shù)創(chuàng)新和科技支撐，不利于提高農(nóng)村產(chǎn)業(yè)的競爭力和發(fā)展水平。此外，環(huán)境污染、土地資源的過度利用等問題也制約著農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展。最后，一些農(nóng)民的思想觀念較為落后，或文化素質(zhì)相對(duì)較低，也阻礙了新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程。

2.3三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用前景

隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其中包括了新農(nóng)村建設(shè)領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，三維激光掃描技術(shù)能夠快速、高效地獲取農(nóng)村地區(qū)的三維空間信息，包括地形地貌、農(nóng)村建筑、農(nóng)田土地等等。這為新農(nóng)村建設(shè)提供了非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策支持。其次，三維激光掃描技術(shù)可以通過數(shù)字化重建和模擬，為新農(nóng)村建設(shè)提供更加精準(zhǔn)、科學(xué)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案，提高了農(nóng)村建設(shè)的效率和質(zhì)量。此外，三維激光掃描技術(shù)在農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然資源管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然，三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用還存在一些問題和挑戰(zhàn)。例如，三維激光掃描設(shè)備高昂的價(jià)格和維護(hù)成本，以及技術(shù)難度較高等因素，限制了其在農(nóng)村地區(qū)的推廣和應(yīng)用。此外，在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要克服數(shù)據(jù)處理和分析，以及相關(guān)人員的專業(yè)水平和技術(shù)素養(yǎng)等問題。

3三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用

3.1地形地貌的三維重建

地形地貌是指地球表面的地形和地貌特征，對(duì)于農(nóng)村規(guī)劃和設(shè)計(jì)具有重要的作用。三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)地形地貌進(jìn)行高精度的三維重建，為農(nóng)村規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在進(jìn)行地形地貌的三維重建時(shí)，可以利用三維激光掃描儀對(duì)地表進(jìn)行掃描，獲取地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過云數(shù)據(jù)的處理和分析，可以得到地形地貌的三維數(shù)字化模型，包括地形高程、坡度、坡向等信息。這些信息可以為農(nóng)村規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)，例如確定村莊的選址、規(guī)劃村莊的道路、排水系統(tǒng)等［5］。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)可以快速高效地獲取大范圍地形地貌數(shù)據(jù)，節(jié)約人力和時(shí)間成本。在新農(nóng)村建設(shè)中，三維激光掃描技術(shù)可以為農(nóng)村規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供高效可靠的數(shù)據(jù)支持，提高規(guī)劃和設(shè)計(jì)的精度和效率。

3.2農(nóng)村建筑的三維建模

在新農(nóng)村建設(shè)中，農(nóng)村建筑是一個(gè)重要的建設(shè)領(lǐng)域。通過三維激光掃描技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村建筑的快速、高效的三維建模。具體來說，可以通過掃描建筑外立面、內(nèi)部空間和結(jié)構(gòu)構(gòu)件等方式獲取建筑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和融合，生成建筑的三維模型。通過三維建模，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村建筑的精細(xì)化管理和規(guī)劃。例如，在建設(shè)村莊公共設(shè)施時(shí)，可以通過三維模型的建立，對(duì)設(shè)施的布局和位置進(jìn)行優(yōu)化。在維護(hù)農(nóng)村建筑時(shí)，可以對(duì)建筑進(jìn)行精準(zhǔn)的維護(hù)和保養(yǎng)，減少維護(hù)成本和時(shí)間。同時(shí)，在農(nóng)村建筑的文化保護(hù)方面，三維建模也可以為文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供有效的技術(shù)支持。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，農(nóng)村建筑的三維建模面臨一些問題和挑戰(zhàn)。例如，若農(nóng)村建筑分布較為分散，建筑形態(tài)復(fù)雜，會(huì)給建筑的掃描帶來一定的困難。此外，農(nóng)村建筑大都時(shí)間較悠久，有些建筑已經(jīng)破舊不堪，需要進(jìn)行修繕或重建，這也給三維建模帶來了一定的難度。因此，在農(nóng)村建筑的三維建模中，需要考慮不同類型建筑的特點(diǎn)，采用不同的掃描方案和數(shù)據(jù)處理方法，提高建模的精度和效率。

3.3農(nóng)村道路的三維測(cè)量

農(nóng)村道路是新農(nóng)村建設(shè)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一。通過三維激光掃描技術(shù)，可以對(duì)農(nóng)村道路進(jìn)行高精度的三維測(cè)量和建模，以便更好地進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。首先，激光掃描儀可以對(duì)道路表面進(jìn)行全面、精確地掃描，得到道路表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以提取出道路的各種參數(shù)，如道路寬度、坡度、曲率等，為道路的設(shè)計(jì)和改造提供科學(xué)依據(jù)。其次，三維激光掃描技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量道路的長度、寬度和面積等參數(shù)，比傳統(tǒng)測(cè)量方法更加高效、精準(zhǔn)。這樣可以節(jié)省大量時(shí)間和人力成本，提高測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。此外，三維激光掃描技術(shù)還可以檢測(cè)道路表面的裂縫、坑洼等缺陷，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)，提高了道路的使用壽命和安全性。

3.4農(nóng)田土地的三維測(cè)量

三維激光掃描技術(shù)在農(nóng)田土地的測(cè)量和分析中也有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的農(nóng)田測(cè)量方式往往需要人工進(jìn)行，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度難以保證。而采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田土地的測(cè)量和分析，不僅可以快速高效地獲取土地的三維坐標(biāo)信息，還可以獲取土地的地形地貌信息、土壤質(zhì)量分布等重要數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。在農(nóng)田土地的三維測(cè)量中，三維激光掃描技術(shù)可以通過掃描整個(gè)農(nóng)田的地表，獲取農(nóng)田地形的三維坐標(biāo)信息。同時(shí)，激光掃描儀還可以掃描到土地表層的植被覆蓋情況，包括作物的種植情況和生長狀態(tài)等，這些信息對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地管理都非常有價(jià)值。通過對(duì)農(nóng)田的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行分析，可以獲得農(nóng)田的面積、坡度、高程等基本信息，以及不同地塊的土壤質(zhì)量分布、水分含量等重要數(shù)據(jù)［6］?；谌S激光掃描技術(shù)的農(nóng)田土地測(cè)量和分析，不僅可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，還可以為農(nóng)田管理提供有效的決策依據(jù)。比如，在進(jìn)行土地改良時(shí)，可以根據(jù)不同地塊的土壤質(zhì)量分布情況進(jìn)行針對(duì)性處理。

4三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的實(shí)踐案例陜西某村莊的三維掃描和建模是典型的三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中的應(yīng)用案例。在該項(xiàng)目中，使用激光掃描儀對(duì)村莊進(jìn)行了精確的三維掃描，并將

掃描結(jié)果轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)村莊的地形地貌和建筑物進(jìn)行高精度的測(cè)量和分析，同時(shí)獲取全面的建筑物信息，包括建筑物的形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸和位置等。在三維建模方面，采用了專業(yè)的建模軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)化，生成了高精度的三維模型。通過對(duì)三維模型的可視化和分析，可以更加直觀地了解村莊的空間布局和建筑物分布情況，從而更好地進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。同時(shí)，三維模型還可以為村莊的文化保護(hù)和旅游開發(fā)提供參考和支持，使村莊得到更好的發(fā)展和利用?？傮w來說，陜西某村莊的三維掃描和建模項(xiàng)目為新農(nóng)村建設(shè)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和參考。在未來的新農(nóng)村建設(shè)中，可以利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行更加精確和全面的測(cè)量和分析，為農(nóng)村規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理提供更加科學(xué)和有效的支持。

5結(jié)束語

在新農(nóng)村建設(shè)和城市更新中，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。通過對(duì)地形地貌、建筑物、道路和土地等進(jìn)行三維掃描和建模，可以更加全面地了解農(nóng)村環(huán)境和資源情況，為規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供有力的支持。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)也面臨著一些局限性和挑戰(zhàn)，仍需要繼續(xù)不斷地研究和創(chuàng)新。相信隨著科技的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，三維激光掃描技術(shù)在新農(nóng)村建設(shè)中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用，為農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)和城鄉(xiāng)融合發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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作者簡介：李萬春，男，河南洛陽人，助教，本科，研究方向：測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)。