三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究

歐斌，黃承亮

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

隨著計算機技術的快速發展和科學技術的不斷進步，將現實世界的實體信息快速地轉換為計算機可以識別處理的數據已經不再是人類的夢想。科技的創新、不斷涌現的新技術給人們的生產、生活帶來了巨大的變化，同時也為空間數據獲取提供了各種各樣的新方法和新手段，推動三維空間數據獲取向著集成化、實時化、動態化、數字化和智能化的方向發展。三維激光掃描技術就是這個信息時代的產物。利用該技術可以直接實現各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準的實體或實景三維數據完整的采集，進而快速重構出實體目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。該系統主要是由三維激光掃描儀和系統軟件組成，其工作目標就是快速、方便、準確地獲取近距離靜態物體的空間三維模型，以便對模型進行進一步的分析和數據處理。

三維激光掃描技術作為一種先進的測量技術，可以應用于工程測量、地形測量、虛擬現實和模擬可視化、礦區土方開挖斷面和體積測量、工業制造、變形測量、加工檢測、施工監測、事故調查、歷史古跡的調查與恢復以及特殊動畫效果的測量等領域，具有廣泛的應用前景。

分方測量是工程測量的主要組成部分之一，分方測量得到的測量結果對施工預算和造價都有直接的影響。傳統的分方測量方法是采用全站儀進行逐點采集，這種方法耗費時間多，人力多，并且采集數據間隔大，不均勻，有時無法真實反映其實際方量情況。因此，本文引進三維激光掃描技術對分方測量進行應用研究。

2 分方測量應用研究方案

三維激光掃描技術與傳統測量方法在分方測量中的優勢有:

(1)測量速度快、效率高，最高達 300 000點/秒;

(2)測量密度高、測量精度高，最小的可以采用2 mm采樣間隔掃描，最高可達到 5 mm的點位精度。

(3)采用完全非接觸的方式對目標進行掃描測量，可以解決危險領域的測量，需要保護對象的測量以及人員不可到達位置的測量等工作。

(4)測量范圍廣，可以進行掃描視場角為360°×100°的掃描，最遠可以達到 1 400 m的掃描距離。

本次應用研究與生產相結合，選擇了一個需要進行分方測量的工程進行，在該工程范圍內基本為空曠區，少部分地方有植被覆蓋，作業時，首先應用GPSRTK技術在工程區域內，布設并測量了若干個控制點。選擇RIEGL VZ－1000激光掃描儀對該區域進行掃描。掃描時，把儀器依次架設在每個控制點上，進行全圓360°的掃描，掃描間隔設置為 100 m處 0.03 m的間距，并保證每站掃描數據之間有30%的重疊區域。最終一共進行了7站掃描，共花費時間為 4 h，掃描范圍為 0.8 km2。

同時在工程范圍內選取部分區域采用全站儀進行了數據采集，其目的是與激光掃描采集的數據進行對比。測量時把全站儀架設在相同的控制點上，進行對中整平，后視定向，采用 8 m～10 m點間隔進行高程采樣，整個外業數據采集花費了3個標準組日，共采集0.2 km2數據進行對比。

3 數據處理

應用RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO對掃描數據進行數據處理。首先對7站數據進行點云數據拼接，拼接時依次在每站掃描數據中輸入設站點點位坐標，由于外業數據采集時保證了每站掃描數據之間有30%的重疊區域，通過對處理軟件的參數及處理方法設置，軟件進行自動拼接，拼接之后得到的點云數據如圖1所示。

圖1 拼接后整體點云數據

圖2 剔除植被前點云數據

圖3 剔除植被后點云數據

由于工程范圍內，有部分地表被植被覆蓋，因此為了得到真實的地表數據，需要對植被進行剔除，如圖2所示。運用RISCAN PRO的植被剔除功能，采用一定間隔范圍內保留最低高程點的方法，對掃描數據進行處理，得到剔除植被后的點云數據，如圖3所示。通過剔除植被前后數據的比較，可以清晰發現地表的樹木等植被被剔除干凈，得到了符合真實情況的地表數據，同時說明RISCAN PRO軟件剔除植被的效果比較明顯。

由于掃描的點云數據間隔小，數據量大，需要對數據進行抽稀，得到適合方量計算的有效數據。因此對處理后的點云數據進行抽稀，得到以 0.3 m間隔的點云數據，作為方量計算的原始數據。然后把數據導入清華山維圖形處理軟件，如圖4，以點云數據為基礎建立三角網圖，然后再提取 10 m×10 m格網，最后運用其方量計算功能，根據設計高程進行方量計算。

圖4 點云數據

同時把全站儀測量數據導入清華山維圖形處理軟件與掃描儀數據進行對比，為區分點位，圖中采用燈桿符號表示全站儀采集數據，標注其高程，選取其周邊最近點云數據點標注高程進行對比，如圖5所示。可以發現兩者測量數據的高程誤差基本在 2 cm～3 cm之間，兩者的測量數據質量相同，都能滿足分方測量的要求，說明三維激光掃描技術在分方測量方面的應用是可行的，同時三維激光掃描測量方法的測量速度，數據處理效率都遠高于常規測量方法，因此三維激光掃描技術在分方測量方面有更大的優勢和應用前景。

圖5 點云數據與全站儀采集數據比較

4 結語

本次針對三維激光掃描系統在分方測量中的應用進行了綜合測試，提出了該技術在分方測量中的數據獲取和數據處理方法，并與傳統數據采集測量方法進行了比較，說明三維激光掃描技術在分方測量中應用的可行性。

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