三維激光掃描技術在工程測繪中的應用

王波濤

摘要：隨著經濟和信息技術的快速發展，在當前工程測繪技術的有效應用落實中，隨著科學技術的不斷創新發展，其表現出來的作用價值和優勢也越來越突出，為了更好提升工程測繪水平，合理運用三維激光掃描工程測繪技術是比較重要的一個方面，也應該在未來工程行業發展中引起高度重視。結合三維激光掃描工程測繪技術的有效落實運用，合理應用GPS技術是比較有效的一個手段，其應該實現兩者間較為理想的配合，最終提升整個工程測繪水平，為工程行業發展做出較大貢獻。

關鍵詞：三維激光掃描;道路地形測繪;應用

引言

三維激光掃描技術，實現了深入到復雜的現場環境及空間中進行掃描的操作，同時直接實現了建筑物和構筑物三維數據完整的采集，進而快速重構出實體目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。三維激光掃描技術作為正向建模的對稱應用，獲取的數據可以直接與地理空間信息庫連接，作為高精度地理信息系統（GIS）數據源。當前這一技術主要用于工程測量、地形測量、虛擬現實和模擬可視化、礦區土方開挖斷面和體積測量、變形測量、施工量測、歷史古跡的調查與恢復，以及特殊動畫效果的測量等。

1、三維激光掃描系統的構成與技術

地面三維激光掃描系統由三維激光掃描儀，數碼相機，掃描儀旋轉平臺，軟件控制平臺，數據處理平臺及電源和其他附件設備共同構成，是一種集成了多種高新技術的新型空間信息數據獲取手段。三維激光掃描儀的發射器通過二極管發射出激光脈沖信號，經過旋轉棱鏡射向目標，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，最后轉換成能夠直接識別處理的數據信息。三維激光掃描儀對實體進行掃描時，獲取了不同對象對激光的光射時間差，從而測出激光與物體之間的距離，用編碼器來測量鏡頭旋轉角度與激光掃描儀的水平旋轉角度，最終獲取被測對象表面每個采樣點空間立體坐標，得到被測對象的離散點集合。這些稱之為“距離影像”或“點云”。所獲取的由點云組成的影像與通常的掃描的柵格影像最大的區別就是具有可量測性。激光掃描不需要光源，可以在黑暗中進行測量，因此能夠在夜間和黑暗的作業環境中進行掃描。

2、三維激光掃描技術的應用

2.1外業數據采集

三維激光掃描儀，此儀器具有對中整平功能，是一種全站式三維激光掃描儀，從而可像全站儀一樣架設在已知點上展開外業數據采集，測量得到的點云就是真實的三維坐標。測量時首先對測區周圍環境進行觀察，在測區內布設控制點，平面控制測量使用全球定位、實時定位系統（GPSRTK）或全站儀來完成。高程控制測量使用水準儀測量。在掃描過程中通過在已知控制點上設站，將每個站點與其地理坐標的關系設置好。確定采樣間隔開始掃描。采樣間隔太大，對后期數據處理精度造成影響，采樣間隔太小，采集的點云量龐大，給后期數據處理帶來很大麻煩。通視好的情況下，每站的掃描距離在80m左右，保證相鄰測站間有一定的點云重疊區。如通視情況不好，適當增加掃描站數，直到目標區域掃描完成為止。

2.2標靶和控制點的測量和分布

在采集數據的時候，由于三維激光掃描儀與被掃描物體形成的夾角不同，它的空間分辨率也會隨之變化，這和掃描儀的測距是有關系的。一條道路的測量往往需要多個測站來完成，就是因為不同的掃描距離和點的精度不同，此外還可能有別的障礙物的影響。為了供點云拼接，需要在每個相連的測站重合的部位設置3個以上且要形成不規則圖形的標靶，根據掃描儀的測距，將這些測量數據結合在一塊。

2.3精密工程測量

對于GPS配合三維激光掃描工程測繪技術的實際應用，其同樣還能夠在精密工程測量中表現出較為理想的作用效果，隨著當前工程項目施工建設要求的提升，相應精密性要求也越來越高，尤其是對于一些相對而言較為關鍵的工程項目，更是需要切實做好工程測繪工作，確保相應工程測繪能夠表現出理想的高精度，避免三維坐標信息出現明顯威脅。結合這種精密工程測量工作的落實，其能更好發揮GPS配合三維激光掃描工程測繪技術的作用價值，有助于實現對于所有地形信息及其坐標信息的優化，降低可能出現的工程測繪偏差威脅。在精密工程測量方面，對于地面和機載掃描儀進行有效運用是比較重要的一個方面，其確實能夠表現出較為理想的作用價值，能夠實現最終三維模型的有序構建，避免可能出現各類工程測繪偏差威脅。

2.4處理采集的數據

在處理激光雷達點云數據的時候，對于不在同一站點獲取的點云數據要嚴格匹配，其主要有：點石匹配、噪聲的消除、分割、坐標的轉換、圖像的匹配。將其進行目標構模和進行定量分析并歸置于一個坐標系內。一般采用的方式有下列幾種：①為進一步的與其他數據同步處理需要在GPS的幫助下，獲得各個掃描站點的具體坐標，將獲取的點云數據導入，就可以得出比較準確的點云地理位置。噪音數據和點云數據的區別就是在于它是沒有規律且不連續比較雜亂的，可利用這一個特點將噪聲數據迅速剔除掉。分割點石構建目標模型。作為該地區的地理樣貌特征信息資料，要截取到清晰的紋理圖像與點石匹配。②若在掃描的時候多次掃到相同的目標，可以對數據進行抽隙處理，是因為采集到的點云數據過多而密集，不易于整理歸納，這種方法叫冗。③點云拼接的過程是結合在每個測站得到的數據通過設置在測站周圍的標靶聯合拼在一起。點云拼接好后，可以利用布置好且測量正確的三維坐標，將其納入到我們使用的平面直角坐標系里。④處理后的點云數據，在生成等高線的過程中，點云數據會排除一些非地貌影響的因素后并根據測繪的詳細進度做出相應的變動。在地形測繪的時候若點位過于密集且分布不均勻的話那么地面的詳細信息則不可用三維激光掃描。有些較為煩瑣的細節信息會導致等高線混亂，而這種情況是因為采用了掃描點構造三角網追蹤等值線。⑤對造成等高線殘缺、變形或者不完整的情況，可以進行手動修復點云的數據，參考照片的時候標記好高程，形成輪廓后對其進行局部的修改。這種情況的發生多是在編輯地形圖的時候，將等高線的圖形和地面物體的圖形重疊在了一起編輯，而有些部分的物體數據的刪除后就會引起這種情況。

3、結語

三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量方法是具有高效率、高精準等優點，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命，很大程度上幫助完善了測繪工作，使測繪工作的開展進一步擴展提升，相關數據采集較為完整。

參考文獻：

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[2]李強，鄧輝，周毅.三維激光掃描在礦區地面沉陷變形監測中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2014，25（01）：119-124.