地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用

霍文強

【摘 要】三維激光掃描技術，又稱為實景復制技術，起源于20世紀末期的新興技術，其通過迅速激光掃描測量的方式，大范圍高分辨率的及時獲得被測目標表面的三維坐標數據，為科學構建物體的三維影像模型提供了新的技術手段。

【關鍵詞】地面三維激光掃描技術；工程測量

中圖分類號： P225.2；TB22 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0228-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.101

Application of terrestrial 3D laser scanning technology in engineering survey

HUO Wen-qiang

（The Inner Mongolia Autonomous Region Institute of Surveying and Mapping， Hohhot， Inner Mongolia 010050， China）

【Abstract】Three-dimensional laser scanning technology， also known as real-time replication technology， originated in the late 20th century， a new technology， through rapid laser scanning measurement， large-scale， high-resolution and timely access to the measured target surface of the three-dimensional coordinate data， for the scientific construction of three-dimensional image model of the object provides a new technical means.

【Key words】Terrestrial 3D laser scanning technology； Engineering survey

近年來，隨著我國社會經濟的迅速發展，我國建筑工程項目數量日益增加，而工程測量是保證建筑工程項目正常進行的前提。傳統的工程測量必須要花費很多時間、人力和物力，并且不能確保測量精準度。地面三維激光掃描技術具有高效率、高精準度等優點，將其在工程測量中應用，能夠明顯提升工程測量精準度。

1 三維激光掃描技術的簡單介紹

三維激光掃描技術，是信息時代的新興技術之一，最早不是我國研究開發的，而是由國外研究進行開發的。其主要儀器設備是三維激光掃描儀，結合激光測距的基本原理，采用伺服馬達設備及掃描進，按照既定目標要求對有關的行業進行掃描和定位，進而根據流程獲得紋理信息及三維坐標，最終充分體現出三維場景。

三維激光掃描技術是一項全面系統的流程，通過進行正確的計算、定位及測量，再將所獲取信息及時上傳，進而完成掃描定位全過程。[1]結合不同的掃描空間，可以將其劃分成兩種，分別是空中激光掃描技術及地面激光掃描技術，在國外許多國家三維激光掃描技術受到普遍應用，具體應用于軍事領域、醫學領域、交通領域、汽車領域、航天航空領域以及船舶領域等等。而國內三維激光掃描技術主要應用于工程建設領域以及考古領域等等。此外，因為空中激光掃描技術均有相對固定的領域和應用屠刀，所以本文重點探究地面掃描激光技術，其整個操作流程并不復雜，主要是采用水平及垂直的全自動高精度完成掃描，從而結合測算公式與具體原理來繪制出準確的三維坐標，進而實現與事實情況相符合的虛擬三維模擬場景。

2 地面三維激光掃描的具體分類及基本原理

通常，根據測量方法來劃分，可以將地面三維激光掃描技術分成兩種，分別是移動式及固定式激光掃描系統。[2]其中，固定式激光掃描系統，與傳統測量中的全站儀是十分相似的，由內置數碼相機、控制系統及激光掃描儀等多個部分組成。但是相對于全站儀來說，固定式激光掃描儀收集的是整個系列的“點云”數據信息，而不是分散的單點三維坐標，其主要特征是掃描面積大、速度較快、精準度較高以及具備良好的野外操作性。而移動式激光掃描系統，是以車載平臺為基礎，由慣性導航系統、全球定位系統與固定式三維激光掃描系統相結合而組成的。

三維激光掃描技術的基本原理是激光測距，事實上三維激光掃描的工作過程就是反復性的數據處理及采集過程。從獲得掃描反射接受的激光強度，有效匹配掃描點的顏色灰度。對于掃描激光來說，系統局部坐標是采樣點，而坐標原點是掃描儀的內部，通常X軸、Y軸都位于局部坐標系的水平面中，Y軸表示掃描儀垂直方向，Z軸表示垂向方向。由此可見，能夠得出掃描目標點P的坐標XS、YS、ZS的計算方法。

3 地面三維激光掃描數據采集和數據處理流程

三維激光掃描數據采集和數據處理流程在工程測量中主要兩大部分，一是外業數據采集，二是內業數據處理。前者，包括數據掃描及控制測量工作，控制測量主要包括高程控制測量及平面控制測量，而數據掃描主要包括標靶三維坐標測量及三維激光掃描。后者，包括虛擬測量、掃描數據拼接以及數據抽隙等多個步驟。

因為掃描對象受限于客觀環境，通常項目必須要經過三四個站的掃描，才能夠覆蓋整個研究對象，有些項目甚至需要幾百個站。這樣就會引發一個新的問題出現，怎樣將十幾個站以及幾百個站的掃描點拼接成一個整體。每個設備的生產廠家都會提供用于拼接的工具，也就是標靶。若每個站掃描的標靶不超過三個，可以運用全站儀或者其他的方式來獲取標靶的空間部位，這樣就能夠將兩個站的掃描點云拼接在一起，這就是所謂的數據拼接，通過此種方式，可以在同一個平面坐標系中放進掃描項目的所有點云。在工程測量中，要想獲取標靶的三維坐標，可以采用全站儀。因此，外業數據采集主要包括高程控制測量及平面控制測量，其精準度要求與等級只需要符合有關規范要求。并且在外業數據采集中數據掃描是關鍵環節，主要包括標靶三維坐標測量與三維激光掃描。三維激光掃描應該結合工程實際情況及儀器指標，確定標靶位置、掃描間距以及掃描距離，在掃描的點云數據中應該可以將標靶的中心位置分辨出來，但是要注意遮擋問題。對于工程測量，可以采用傳統的方法來獲得標靶平面坐標，也才可以采取三角高程測量方式來獲取標靶高度。

一般在特定的條件下，可以按照標靶的三維坐標，將多個站的掃描數據拼接到儀器，并且放在同一個坐標中，這就是人們常說的數據拼接。經過數據拼接的過程，能夠得到很多三維坐標。因為采取的點云數據量是非常大的，很多時候將被稱之為海量數據，所以數據只可以由特定的軟件進行處理。有些技術人員常用的測繪軟件是無法高效處理點云數據信息的。因此，在將點云數據導入前，數據抽析工作是非常重要的。若抽析是有規律的，可以運用相關的軟件來完成。若抽析是沒有規律的，還需要人工進行認真的挑選。

4 地面三維激光掃描技術在工程測量中的具體應用

現如今，地面三維激光掃描技術在工程測量中應用是非常普遍的，建筑領域高度重視地面三維激光掃描技術的應用，而且從應用中已經了解到這種掃描技術的優點。當前，地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用，具體包括測算土方量、建立三維模型以及測量竣工等等。同時，地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用，必須要嚴格依照相關的流程進行，其一，在掃描初期完成儲備。其二，在掃描中全方位采集點云數據。其三，配準核對點云信息、其四，分析處理點云信息。

4.1 在地形圖測繪行業中應用

此種技術主要是為了可以有效解決傳統測量方法不能進行測量的問題，例如：在斷臂位置等等，可以采取非接觸性方式來運用激光掃描技術，對被測目標的實際地質地形進行測量等等，在地形圖測繪中，對點云數據進行分析處理的時候，應該根據附近的地質地形及各自外界因素，完成數據的全面處理及測量，不可以僅僅對一個測量目標進行數據信息收集，否則這樣容易導致地形圖是不系統和不完整的，也難以對工程施工開展提供系統及正確的數據支撐及測量信息。但是需要注意的是在繪制及提取地物中，必須要完成所有信息的體，合理利用三維激光掃描技術的良好軟件性能，選擇點云數據房屋的實際地點及角度，從而根據技術規范及軟件編程來繪制，根據公式來計算，進而確定最終的比例，確保整個繪制過程能夠順利完成。并且對等高線進行計算的時候，要及時排除地質地形的點云數據，進而采用自動繪制與人工繪制進行有機結合的方法，具體能夠采用平均面迭代法來排除無關緊要的數據信息，而且在此前提現計算數據，這是一個不斷重復的過程，只有進行很多次的數據排除及測算，才可以確保所獲得的地質地形數據信息是正確的。此外，在成圖編輯和制作環節中，這就需要結合前兩步對地形圖與等高線兩者之間的關系做出全面分析，并且采用疊加的方式來計算全部新型。將計算所得的點云數據新型及實際收集的照片進行對照，進而完成人工調整、校正及核查。總的來說，在地形測繪中應用地面三維激光掃描技術，能夠時測繪準確度得到大幅度提高，更快的獲取地貌的具體特點。

4.2 在土方量計算中的應用

地面三維激光掃描激光技術的重點流程是：首先，完成圖點云數據信息的處理，以設計出合格的基準面，再剔除地物，并且結合相關的計算公式，將土方量計算出來。在該過程中務必要注意的是與實際工程進行融合，實時監控和準確計算每個控制點，進而提升正確性。例如：在某一個工程中，必須要結合道路縱橫斷的數據信息，計算出土方量，此時在根據步驟進行操作，第一個步驟是采集數據信息，主要包括三方面的數據信息，主要包括設計道路的邊坡、縱橫斷以及道路紅線等等。第二個步驟是建立模型，在采集完數據信息后，按照有關技術來建立曲面模型。第三個步驟是采用外業掃描數據信息來構建實際的地面模型，而且完成坐標轉化。最后，根據比例將地面模型與曲面模型進行增減計算，進而快速計算出實際的土方量。

4.3 在建立三維模型中的應用

地面三維激光掃描技術在建立三維模型中的應用，主要有兩大部分，一是紋理映射，二是模型建立。模型建立是結合點云數據信息來建立的，重點運用3Dsmax形式來構建模型的，保證其標準化。紋理映射主要是采用數碼相機，并且安裝到掃描儀上，進而搜集大量的紋理信息，科學的建立建筑工程模型。

5 結語

總而言之，地面三維激光掃描技術是當前工程測量中廣泛應用的技術之一，實現了傳統測量技術的創新，能夠進行非接觸式測量，更好地適用于復雜地質的高精準度測量。并且在其他很多行業中地面三維激光掃描技術也得到應用，但在實際應用依舊存在一些問題，對于大多數中小型企業而言，都沒有能力承擔昂貴的價格，這樣就會影響該項技術的普及。因此，地面三維激光掃描技術還要進一步研究，讓地面三維激光掃描機技術能夠實現創新發展，讓其在各個行業中都可以發揮出本身的價值。

【參考文獻】

[1]馮耀能.地面三維激光掃描技術在工程測量中的應用[J].工程建設與設計，2018（16）：40-41.

[2]劉小陽，高彥笑.地面三維激光掃描技術在土方測量中的應用[J].科技創新與應用，2018（14）：163-164.