三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用

陳偉東

（河北省地質調查院，河北 石家莊 050081）

隨著科學技術的不斷發展，測繪技術也獲得了極大的提高和進步。三維激光掃描技術完全是新科技下的產物，三維激光掃描技術不論是在數據收集的準確度和豐富度上還是在測量的安全系數上都較之前有了很大的進步。它的工作方法是通過發射激光，將激光經過的區域的數據采集下來，它的采集范圍很廣，掃描距離較長，即目之所及皆可得。在獲得數據之后，用三維激光掃描所收集的數據，這樣就可以更高效更快捷的獲得結果。而且三維激光掃描技術可以和其他技術相結合，使測量更加方便快捷，更加符合當今這個社會的運行速度[1]。

1 三維激光掃描儀

依據不同的掃描地點可以把三維激光掃描儀分為以不同三種：機載（或星載）激光掃描系統、便攜式激光掃描系統和地面型激光掃描系統等等。這回運用的是地面型三維激光掃描系統，借此來勘測地形地質，三維激光掃描儀的整個系統由三部分組成:掃描儀、設備控制器和電源供應系統構成。

那么本次所用的掃描系統的運行過程是這樣的：會從三維激光掃描系統發射器發射出一個窄束激光脈沖信號，然后這個信號將經過被掃描的區域內的所有被測物體，之后被掃描過的物體會對這個窄束激光脈沖信號做出反應，最后這個窄束激光脈沖信號會帶著被測物體的信息順著原途徑回到掃描初始點。通過計算激光脈沖從發出到折回所需要的時間來衡量其二者之間的距離,同時在它的內部設置精度較高的時間控制機器。通常來說，三維激光掃描測量中的坐標系都是測量儀本身自帶且特定的，橫向掃描面內有X和Y軸，兩者是互相垂直的關系，z軸垂直于橫向掃描面，如此便可以快速的確定目標點的坐標。

通過衡量脈沖信號的發射時間和接收時間的差值，以此獲得一個算式。得到了窄束激光脈沖的發射與折回的時間間隔，就能夠準確地知道被測點和三維激光掃描系統發射器之間的距離：S=1/2CtL。C指的是光速[2]。

2 點云數據的處理

從上面的介紹中我們可以知道，點云數據是指在一個三維坐標系統中的具有方向的坐標集，掃描的物體都將會以點的方式記錄下來，并且所掃描的每一個點都會有一個立體坐標，在對收集到的點云數據進行整理時，通常要做到以下幾個步驟：消除雜音、多視角對齊、簡化數據以及多視圖三維重建等。

消除雜音就是把收集來的點云數據中的影響計算的不對的數據進行消除。比方說，在進行測量的過程中，三維激光掃描儀將某些不必要的數據采集到了，例如，正在路上行駛的各種交通工具、處于測量范圍之內的茂密的植物以及出現在測量范圍內的無關路人等等一些對測量結果不起作用的物。諸如此類的數據都是要被消除的[3]。

點云的簡化數據就是對在測量中采集而來的龐大的數據進行簡化，在測量中收集到的數據量是非常大的，只有通過簡化這些收集到的數據才能是接下來的工作更順利地進行，還可以使最后的數據計算可以更加的便捷。簡化數據并不是簡單的將數據刪減，還要求數據進行簡化之后不會對最后的視圖重建造成影響，也不會對數據的精確度造成影響。數據的簡化一般有兩種方法進行選擇：平均精簡和按距離精簡，前者是把點云數據分為若干個小組，然后從每個小組中取一個數據；后者是按某一特定的距離來刪除一些點，使點和點的距離不小于某一特定的數值。

多視圖三維重建是要把被測量的目標的“廬山真面目”復原回來。為了達到這一目的，上述的簡化數據就非常重要了：在上一步驟簡化數據的基礎之上將所得到的有效數據進行掃描來獲得重建后的視圖，在這一步要非常注意的一點就是，視圖的重建一定要符合重建的原則，不能隨心所欲憑直覺去完成視圖重建，這樣只會使先前的工作功虧一簣。在根據重建規則完成三維視圖重建之后得到被測目標的本來面目之后，接下來就能夠運用采集到的點云數據來解決問題了。

3 關于測量方面的討論

提升測量精確度的辦法：在正常的測量情形下，三維激光掃描的精度取決于多視角對齊的精度的高低。為了可以提高在掃描的精度，工作人員在測量時可以多角度多方位的進行測量，可以以一點為基點，以其的前后左右不同方向來進行測量，以得到更加精確地測量數據，可以將相交叉的區域進行多次測量，提高精確度。在此次的地面型三維激光測量中，我們采用的是設置控制點法，這樣就可以在上述的相交叉區域設置控制點，實現測量的精確性。在我們的實踐中可以很明確的發現，運用上述方法來進行數據收集時，可以很好的提高測量的精確度，以此來滿足下一步驟的要求。

坐標系相一致：在上文中我們可以知道三維激光掃描采用的坐標系是圍繞掃描儀建立起來的一個坐標系，這就必須有一個坐標系可以將這些彼此不相互聯系的坐標系聯系在一起。這樣就只要將上文中提到的控制點建立在相對應的位置即可，設置坐標系中的控制點時要注意兩部分內容：設置控制點的密集程度和如何設置控制點位置。這項工作的成功與否會對接下來的工作具有很大的影響。

三維激光掃描的結果輸出：選擇不同的數據處理軟件得到的結果也會有差異。假如工作人員在點云數據的選擇了用POLY WORKS軟件，這樣就會有非常多的結果輸出。例如某些點的坐標數據、被測物體的立體結構等。POLY WORKS這個三維掃描軟件仍然有其弊端，會限制測量的進行，但是，應用者可以根據個人的應用要求來進行編碼，使這個三維掃描軟件能夠符合應用者的需求，這個軟件可以說還是很靈活的。

4 結語

此文章探究和分析了三維激光掃描技術對地形地質測量的應用，在實踐和研究的過程中我們可以發現，三維激光掃描技術在地質地形的測量中不僅可以降低測量成本還可以提高測量效率，由此我們可以認識到三維激光掃描技術的應用在未來的地形地質的勘測中是很有幫助的。隨著我國科研的能力的不斷發展，這項技術也必然獲得發展。當然，這項技術還是存在一些問題的：在本次勘測中，我們選取的是較為平坦的區域作為測量的地點，但是還是會存在盲點，導致最后數據的采集不夠完整，對接下來的工作造成影響。因此，三維激光掃描技術完善的方法還需要我們不斷的去探尋。

[1]蔣明燦.三維激光掃描技術在地質測繪和工程測量中的綜合應用[J].資源信息與工程,2017,(06):130-131.

[2]徐子紅.基于三維激光掃描技術的地形測量一體化應用研究[J].山東工業技術,2017,(08):112-113.

[3]陳志謀.三維激光掃描儀在地質災害地形測繪中的應用[J].電子技術與軟件工程,2016,(18):129.