三維激光掃描儀技術在地形測量中的應用

■吳凱

（新疆烏魯木齊市城市勘察測繪院新疆烏魯木齊830000）

三維激光掃描儀技術在地形測量中的應用

■吳凱

（新疆烏魯木齊市城市勘察測繪院新疆烏魯木齊830000）

隨著社會的進步和人類視野的開拓，人類對未知的世界越發的好奇起來，探索和測量就是人類邁進新世界的敲門磚，三維激光掃描儀技術的發明就是打開這一大門的鑰匙。三維激光掃描儀加上全球定位系統的組合使得數字技術測繪能力又進行了一次質的飛躍，在大范圍地形勘測中，測量結果在各方面都表現出三維激光掃描技術儀要比傳統的方式更加精確和高效，不僅能夠保證測量的數據準確，還更加靈活和智能[1]。

三維激光掃描儀 地形測量 實際應用

三維激光掃描儀技術在地形測量中的廣泛應用是在三維激光掃描儀的出現后才真正實現的，是在全球定位系統的技術發展于地形測量技術基礎上的又一次突破，這種革新技術采用了全自動、高精確度、全方位立體式掃描方式，是全球定位系統運用市場的開拓者。三維激光掃描測量儀技術在大大減少人力物力成本的同時，還能方便和快捷的數據分析，甚至數據采集的同時可以直接在電腦被3Dmax、CAD等專業軟件中顯示處理，這種效率是傳統方式無法完成的。隨著三維激光掃描測量儀技術、3D技術和計算機軟硬件的完善，這些新興技術的運用也漸漸深入到各行各業，如電影特效、文物鑒定、模具制造、導航技術等等，科學技術最終都為人類生活所服務。

1　三維激光掃描儀技術的分類

三維激光掃描儀技術形形色色有很多，不過按照掃描儀所搭載的平臺可以分為三種：便攜式激光掃描儀技術、地面激光掃描儀技術、星載(或機載)激光掃描儀技術。

按照所掃描技術的距離又可以分成以下四類：

（1）短距離激光掃描儀技術：正常掃描距離為60CM～120CM，在此段距離間的掃描效果也是最佳，但最長掃描距離不能超過300CM，這種掃描儀技術，其掃描速度快精確度高，普遍運用于小型模具的測量。（2）中距離激光掃描儀技術：掃描距離在3M～30M之間，這種技術多用于室內空間以及大模具的掃描。（3）長距離激光掃描儀技術:掃描距離在30M～1000M之間，長距離三維激光掃描儀技術多于大型土木工程和建筑物的建造和測量時使用。（4）航空航天激光掃描儀技術：最長掃描距離通常在1000M以上，并且必須配合精確的全球定位系統，在大范圍地形的掃描測量方面有很好的運用。這種技術可以在軍事和大比例尺地圖測繪中很好的施展拳腳[2]。

2　三維激光掃描儀技術數據處理地形數據的原理和方法

三維激光掃描儀在進行掃描完成后，把掃描的結果以三維點云的形式整齊平均的排布在被掃描物體的表層，并可進行多次掃描直至觀測數據完整。而在掃描測量后，再進行三維點云數據的建模過程，把被測地形正確而直觀的描述出來，這樣才完成一次符合要求的掃描。不同測站三維點云數據的參考坐標也是不同的,所以幾個觀測站的數據必須以彼此作為坐標系統參考的關系轉換,也可把所有的三維點云所測到的同一地形的數據找到同一個坐標系統進行參考，這種數據處理和參考坐標的方法被稱為三維點云聯結。現在常用的三維點云聯結方法有四種:

2.1共軛面轉換法

在不同觀測站掃描的數據點云中找到一部分可以重疊的群點云，由觀測員將這些點云經過操作重疊成“面”，再找出多個不平行的“面”（即共軛面），這幾個共軛面可得到多個進行平行移動和旋轉形成的三維立體坐標，并得出相關參數。這種共軛面轉換法雖然工作專業性比較高，且計算較為復雜，對觀測員的業務素質和觀測能力要求嚴格，但不需要到觀測點進行額外的作業。

2.2磁性覘標控制點法

在相鄰的觀測站共同所能觀測的區域設置磁性覘標，以覘標為標點，再使用激光對磁性覘標的位置發出發射弧，激光所發出的弧對覘標有著特殊的反射強度，使得其很容易自主的尋找到控制點的位置，在被測地形上放置多個覘標點，便可以定位得到這里的坐標參數，這種方法比起共軛面轉換法多一個設置覘標的過程。

2.3測站后視棱鏡法

激光的特點是在射到有棱鏡時會發生反射現象，而且很容易辨識，所以把測量站和棱鏡分布在三維關系網中，從測量站和棱鏡的地形坐標可得出三維點云的坐標參數。而前兩者的坐標可以由全站儀和全球定位系統得到，這種方法與磁性覘標控制點也較為自動化。

2.4曲面匹配法

如果被測量的地形是類似于海洋，其存在變形起伏的情況，那么以上幾種方法都可能不能實現精確測量。因此可以通過曲面匹配法與重疊區域的三維點云數據相結合，這種方法目前還無法離開傳統的測繪，必須倚靠人為參與和操作，內業處理后才能得出最佳數據。

3　三維激光掃描儀技術在地形測量中的實例

當年對西藏自治區的日喀則進行水利樞紐建設，為當地的水利和配套灌溉設施進行規劃時，在工程開工前對該地區的測量工作就是由三維激光掃描儀技術展開，當地的平均海拔在4500米以上，地域遼闊、交通不便、高山荒漠眾多、原始地貌復雜，在如此惡劣的環境下進行采用傳統方式作業費時費力，工作難度極大，而該工程又包括水壩水庫和支流的地形分析和觀測，因此，在觀測中三維激光掃描儀技術的迅速高效的特點突顯無疑。

而在南水北調工程中，對全國水網的整體規劃，更加不可能靠人工來測繪，這種大比例超大范圍的工程設計，必須用結合了GPS功能的三維激光掃描儀技術才能實現。如其中難度較大的千島湖引水工程，光引水管網鋪設的長度就超過100公里，沿途大范圍的管道網的分布和設計，千島湖周圍丘陵綿延，植物生長繁茂，視線范圍很差，如采用傳統測量方法無法完成，將影響國家建設的步伐，而使用三維激光掃描儀技術很輕易的在短時間內就設計完成了工程方案。

4　結束語

綜上所述，三維激光掃描儀技術在地形測量中的應用已經駕輕就熟，給傳統的測量技術帶不小的沖擊，是地形測繪的一個里程碑。較傳統的地形測繪方法而言，測量的準確率高、形式方法的多樣性、得出數據的精確和迅速，并且能夠在電腦中一次性建模，都極大的解決和滿足了不同工作中所遇到的問題和所提出的要求。在信息發達的時代，在智能化和數據化的工程架構下，在科學技術不斷進步的今天，效率永遠是人們的首要追求，企業都在努力追求降低成本，減少勞動力，因為效益才是王道。因此，三維激光掃描儀技術的市場應用和前景必然廣闊。

[1]李子坡，李曉靜；工程技術 [M].三維激光掃描儀在地形測量中的應用.2009：249.

[2]康習軍.科技視界 [M].淺談三維激光掃描儀在測量中的應用.2010:86.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-246-1

吳凱（1983～），男，2005年畢業于中國地質大學（武漢），本科，研究方向為城市測繪。