三維電子激光掃描儀在測繪中的應用

■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規劃設計院 新疆巴音郭楞 841000）

三維電子激光掃描儀在測繪中的應用

■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國土資源勘測規劃設計院 新疆巴音郭楞 841000）

三維激光掃描儀應用于測繪具有數據獲取速度快和處理精度高等特點，它無需接觸被測繪物體而獲得物體表面點云數據，然后自動對這些數據進行處理，具有傳統測繪手段無法比擬的優越性，是一項極有應用前途的高新技術。

三維電子激光測繪應用

計算機技術的不斷發展和三維建模研究方法的不斷完善促進三維電子激光掃描儀廣泛應用于測繪，如文物與古建筑保護、公路測量與地形圖測繪、地質災害監測與形變監測、工業設備的三維建模、土石方和體積測量等。加強對三維電子激光掃描儀在測繪中的應用研究是行業發展與時俱進的要求。

1 三維電子激光掃描儀應用于測繪的發展

三維激光掃描儀于上個世紀九十年代開始應用于測繪，它能獲取并處理各種型號、形狀、簡單或復雜的待測繪物體的表面數據，構建測繪物體的三維模型。三維電子激光掃描技術前身是激光雷達技術。國外對三維激光掃描儀從上世紀六十年代就開始，直至現在已經發展成極具規模的比較成熟的產業。如瑞士的Leica公司、美國的3D DIGITAL公司。我國將三維電子激光掃描儀應用于測繪的時間比較短，清華大學曾提出將三維激光掃描儀國產化，通自主研發并設計掃描儀樣機，“LD激光自動掃描測量系統”便是武漢大學自主研制的集多傳感器于一體的自動化三維激光掃描系統，三維激光掃描儀為我國的工程建設、三維模型構建、城市規劃、工業設計等領域做作出巨大貢獻。我國舟曲泥石流災區的數據便是甘肅地礦局采用三維激光掃描儀掃描的結果。

2 三維電子激光掃描儀應用于測繪的優越性

三維電子激光掃描儀無需接觸待測繪物體而能獲得大量立體空間三維數據，其一切信息幾何數據化的特點使得該技術具有傳統測繪技術無法比擬的優越性。（1）信息采樣多。三維激光掃描儀脈沖激光的信息獲取量可達上千甚至上萬點每秒，如相位激光掃描儀，可以獲取帶測繪物體更多的空間信息。（2）高準確度。三維激光掃描技術可以避免待測繪物體表面近似誤差，并且獲得的數據精度相對較高且分布均勻。（3）受環境約束小。（4）無需接觸測繪物體。（5）兼容性強。

3 三維電子激光掃描儀應用于測繪的技術要求

任何事物都存在著客觀規律，建筑物的建造也一樣，確定測繪物體形狀、大小和幾何位置，并對這些有規律的數據進行簡化與歸納，能提高三維電子激光掃描儀測繪技術的效率。

3.1 三維激光掃描技術數據采集

（1）現場踏勘。待測繪物體的具體位置、空間分布、外部形態、內部架構，并結合測繪的精度和分辨率要求，繪制出勘測現場的草圖，是去現場踏勘的目的。應盡量選擇無遮擋物、無重疊部分區域作為掃描站點，并保證站點在掃描儀的有效掃描范圍內。適當設置合理站數，站數過多會降低掃描效率，站數過少則容易出現掃描盲區。

（2）控制網的布設。任何建筑物的完整數據都可能一蹴而就，必須通過多個站點掃描并將獲得的這些數據拼接到同一坐標系，這些控制點便構成控制網，控制點布置要均勻且通視良好。

（3）標靶的布設。為了后續點云數據拼接的方便，掃描前應在掃描區域設立多個標靶，相鄰的兩測站之間要有3個以上公共標靶，標靶與測試站盡量保持通視，且這些標靶不能布設在同一直線上。

（4）建筑物的掃描。三維激光掃描儀架設應與控制點對中、整平，在鄰近的控制點上架設專用標靶。打開掃描儀電源掃描儀開始自檢后，掃描儀和筆記本建立聯系，以存儲點云數據。跟進COM口的前進方向框選出掃描區域和標靶位置，然后利用掃描儀內部像極獲取測繪物體影像。在掃描儀軟件中輸入測站點坐標、后視點坐標、儀器高度和標靶高度，然后對后視點上標靶的范圍進行框選，以獲得掃描儀定向結果。根據測試站的點云數據要求設定分辨率是掃描建筑物的前期準備。

（5）紋理數據采集。通過采集測繪物體的紋理數據可以達到讓測繪建筑物真實再現的效果。紋理數據質量越高能使測繪建筑物還原更加逼真，這些就需要設備、光照和人的技術三者結合發揮合力。被掃描的區域應管線明亮而柔和，避免反光，設置相機合力的曝光度，相機鏡頭與被拍攝面保持垂直能獲得更好的拍攝效果，最好對建筑物份部分拍照然后將紋理拼接，尤其是復雜的建筑物，整體拍照是得不到理想效果的。

3.2 三維激光掃描技術數據預處理

（1）去除噪聲。數據噪聲是指由于信息過大而必然存在的差點和錯誤，噪聲不僅浪費計算機存儲空間，也會降低數據總體質量而影響三維模型建構的精確性。各測試站點云數據的獨立性為去除噪聲技術提供了運用的可能性，去除噪聲也是后續建立模型的必要。去除噪聲也分為兩個步驟進行。首先是去噪，根據噪聲的主要來源對癥下藥：其一，受測量方法和掃描設備影響比如掃描儀分辨率的設置、測距精度的大小、儀器受到震動的程度和掃描角度的變化形成的噪聲，適當調整掃描參數、改變掃描角度以及利用濾波的方法來進行過濾；其二，被掃描物體自身的條件，如表面粗糙度、表面材料、波紋等因素形成的噪聲，可以通過改變掃描儀和被測物體的掃描距離來增強反射率來解決；其三，偶然因素或者不可抗力，比如被掃描物旁邊路過或已經存在的無關之物，可以通過手動刪除。其次，對于通過初步去噪后仍隱藏于點運數據中的噪聲，應進行平滑處理如降低點云密度以提高素具質量，即點云濾波。

（2）點云拼接。對任何測繪物體完整數據的獲得都需要進行多站點掃描，三維激光掃描儀本身有自己的直角坐標系，但由于不同測繪站點對測繪物體同一位置得到的數值不同，且各自獨立存在，這就需要對這些分散的數據進行拼接為后續處理工作做好準備。拼接點云可以通過四種途徑進行：基于標靶拼接；基于點云數據拼接，基于控制點拼接和混合拼接。

4 結語

將地面三維激光掃描儀器應用于測繪是測量技術的巨大進步，并且在應用的過程中這項技術也得到了更充足的發展。但當前地面三維激光掃描儀體積大，質量重，價錢高，技術處理軟件待進一步改進，也是當前三維激光掃描儀被廣泛應用路上需要解決的難題。

[1]余明,丁辰,過靜珺.激光三維掃描技術用于古建筑測繪的研究 [J].測繪科學.2004,5: 69-70.

[2]袁夏.三維激光掃描點云數據處理及應用技術 [D].南京理工大學碩士論文.2006.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-252-1