三維激光掃描技術在工程測量中的應用研究

于磊+劉精攀

摘要：現如今，隨著我國科學技術的迅猛發展，人們不再滿足于傳統的工程施工技術，這就對許多施工企業帶來了巨大的挑戰。文章重要概述了三維激光掃描的概念，并以LeicaHDS3000三維激光掃描儀技術為案例，研究了在近代工程檢測中使用三維激光掃描技術的技術特點。并探討了實際的點云拼接、掃描作業與數值處理的整個過程及對三維激光掃描技術在工程測量中的使用研究。

關鍵詞：三維激光掃描技術；LeiceHDS3000；工程測量；Cyclone

在90年代中期開發出了三維激光掃描技術，它依據激光掃描測量的方式，三維激光技術掃描能大面積的提升分辨率，并準確得出被測量對象的三維坐標數值，詳細的對空間點位信息進行采集，并獲取被測物體表面上各個采樣點的空間獨立坐標。工程監測，是指在管理階段與建設時所開展的各項測量工作。它能直接為所有項目的規劃、測量、施工、檢測、完工和運行管理等一系列項目所服務的。如何才能在工程監測中更好的植入三維激光掃描技術，并合理科學的使用它的準確性能這一技術特點，是一個展新的研究項目。文章以Leica HDS3000為例，由于三維激光掃描技術具備代表性，所以被大型建筑工程監測中廣泛的使用。

1、技術背景

1.1、三維激光掃描技術概念

三維激光掃描技術是從繁瑣實體結構和實踐中得出該目標的三維數值和模型，它能根據激光掃描測量的方式，為目標的局部或整體進行詳細的檢測，使其獲得目標的面、線、體等三維數值，和檢測對象的采樣點相結合，被稱作“距離影響”和“點云”。根據測量儀器和掃描目標間存在距離長短來實行劃分，三維激光掃描技術能分為近距離、中距離、遠距離三類，三類距離本身的準確度都是不同的，所以適合的對象也都各不相同，中、遠、距離激光掃描可以用在大規模場景建設中，近距離激光掃描技術因為它自身的精準度相對較高，所以可以應用在小型物體的三維準確建設中。

1.2、Leica HDS3000三維激光掃描技術的特征

Leica HDS3000三維激光掃描儀是Leica公司高清測量儀器的主打產品。在工作的時候，掃描儀可以沿著水平面上順時針方向依次轉動，儀器自動進行分析并記錄出激光的回導信號。通過計算后獲得的內量數值，會通過緩沖分塊后經過TCP/IP協議傳遞到數值記錄儀器中，并用數值庫的規定格式進行儲存。Leica HDS3000三維激光掃描儀可以達成水平與垂直第一視角范圍的掃描，并且同時能得到掃描點的顏色資料。有效距離為三百米，采樣密度最高為一毫米，掃描的速度可達到每秒四千點。

1.3、后期處理軟件CycIone

Cyclone是Leica HDS3000三維激光掃描器與之相匹配軟件，也是三維激光掃描技術的重要軟件設備之一。Cyclone能夠管理大量的數值資料，并及時掃描測量物體，設定照相機的曝光清晰度，對數值采集錄入并進行處理，還能根據標靶和點云達成點云連接、數值分量處理與管理性能，可按照點云自動形成曲面、平面、彎管、圓柱等多個幾何體，并自己構網和形成等高線，根據點云的薄厚形成點云切片，可以傳遞出ptx、dxf、txt等各種不同數值的形式。Cyclone還具有正攝影像傳出作用，CAD用戶能在改正后的圖像上得出準確的二維線劃圖。

2、現場數據的采集

因為激光自身帶有獨特的物理特點，和激光掃描儀的功率會受到限制，Leica HDS3000型三維激光掃描儀可以掃描三百米之內的物體，最大誤差是六毫米，五十米處的最大誤差是兩豪米。并且，因為掃描儀使用的是鉛酸電池，所以它的工作時間也是有限制的，詳細的掃描步驟如下：先知道控制點數據，在對整體天幕鋼結構進行粗掃描，然后對立柱的焊接部位進行細掃描，并且確保對每個焊接補位都有兩臺機器同時掃描，并覆蓋百分之五十的表面，為后期處理創造了最佳的條件。東、西兩部分一共要掃描八個站點，總共的工作時長為兩個工作日。除了布置現場和其他準備工作之外，真實的掃描時間為十個小時，掃描面積是一萬平方米，所以它的工作效率還是比較高的。

3、后期數據的處理

3.1、統一坐標系的創建和導入

掃描現場的兩端距離比較大，東西兩端的距離為五百米，要采用分段式的方法來逐步測量。但是現場仍在繼續施工，這就使操作的難度大大提升，并不能只依靠動靶標點來對坐標進行傳輸。所以，把大地坐標系當成工程測量中的唯一坐標系。具體的方式有：在在對美段進行測量的時候，都要固定的靶標點來作為把控點，然后在把把控點和各個站點點云連接，連接之后的點云坐標系則視為大地坐標系。

3.2、掃描準確度驗證

檢測人員在現場一共放置了十八個靶標點，使用全站儀檢測出的準確大地坐標值，并在東、西兩部各選用三個靶標點來作為把控點。在每站開始掃描的時候，每個部分會同時掃描和各自相對應的把控點。在后期的處理時，將控制點的坐標按順序錄入到文檔里，導入Cydone并存為一個scanworld，然后在和點云相結合，所以結合后的點云都具有代表性。

4、三維激光掃描在工程檢測中的使用與研究

現如今，隨著三維激光掃描技術的迅猛發展，以往的繪制方法也漸漸被廣泛使用，主要的使用領域有對土方的體積進行測量。地面三維激光掃描技術進行測量時，不再僅僅只依靠于人工操作，還能更加準確的取得代表性地形的特點并用其它的方式表達出來，數據的準確性高并且提高了效率，而且大大提升了測量人員的工作效率，從一定基礎上節約了社會成本。土方測量與體積的測量是工程中必不可少的項目，三維激光掃描技術可以根據大量的點云數據收集技術在土方量計算方面能比以往方法更加的快速精確。所以，三維激光掃描技術在施工中有著廣泛的使用，并起到了它的使用價值。并且，能使工程測量更加的簡易化。

結束語：點云的主要獲得方式是三維激光掃描技術對激光的照射，使以往使用的在外面測量改到室內測量，顯著的提升了了測量的工作效率。得到的數值代表性、準確性強，大大降低了現場測量的時間和次數。對三維激光掃描技術的使用已經不僅僅能得出他的結果，還能繼續深更層次的挖掘和分析，特別是在點云數值模型化，以及數值在其他平臺的可用性方面進行研究。endprint