三維激光掃描技術的應用進展

張雨露 閻思丁

摘 ? 要：文章闡述了全球范圍內三維激光掃描技術及其應用進展。在國外，三維激光掃描技術主要在救災、事故現場、山脈、建筑物及生物等領域開展應用，是一種新興技術。在國內三維激光掃描技術發展很快，在鐵路、安全生產及林業等領域廣泛應用，在工程領域的應用與二次開發方面超過國外。

關鍵詞：三維激光掃描技術;國外;國內;應用

1 ? ?三維激光技術在國外的概況

三維激光掃描測量技術是21世紀出現的一種新興測量技術，表現為高測量精度、高效率、實景可視化，這項世界前沿技術已在部分西方發達國家、地區開始應用，如地震變形事件的監測，建設項目的建模，道路、管道及建筑等文物的保護[1-3]。2011年3月，在位于日本福島發生強烈的地震和海嘯，進而引發了全球對位于福島一號核電站基礎設施安危的關注和擔憂。日本相關地震管理部門利用RIEGL型三維激光掃描儀，對位于福島一號核電廠周圍的地震危險區域和車輛進行了全息三維激光掃描，快速、準確掌握了地震災區的最新情況和數據，從而也實現了對受災車輛情況的實時掌控。

2014年，英國公路警署斥巨資在公路上引入三維技術，利用激光掃描儀在英國高速公路上的事故現場快速采集證據，車輛發生碰撞的場景及其多維度角度的事故場景視圖，能夠有效地作為對事故責任關系認定的重要憑證，同時大大提高了事故處理的效率。

荷蘭國際地理信息科學和地球物理觀測工程學院的S.SLOBANDH.R.G.K. Hack，針對較規整的結構面、明顯露出等簡單地形，實現識別，但還存在一些問題需進一步解決[4-5]。

意大利和新加坡的Rongjun Qin等[6]首次利用三維激光的掃描監測技術結合基于圖像的三維移動街道測繪系統（Mobile Mapping System，MMS）技術實時監測街道和城市景觀的變化，采集、更新街道的數據和信息來實時監控城市基礎設施的安全性和健康狀況，推進了現代數字化城市管理建設的進程。

新加坡和意大利的Francioni M等[7]采用三維激光掃描監測技術并充分結合常規技術與先進測量方法對滑坡體采石場的安全性進行了穩定性評估，研究得出三維結果，利用激光的掃描監測技術，使采石場具有高測量精度和可靠的對巖石邊坡建模和穩定性分析的能力。

比利時Schueremans L等[8]利用三維激光獲取了比利時Saint Jacobs教堂的三維點云，以此構建了完整的三維模型，評估該教堂的穩定性，并對點云進行結構剖分，以便于建筑的修復和存檔，具有一定的指導意義。

約旦Sharaf等[9]研究了約旦沙漠宮殿的三維可視化檔案形成問題，對數據感知、分析、建模和紋理4個方面進行了詳細研究，并融合WebGIS技術進行網絡處理，為提供在線漫游打下了互聯網基礎。

英國J.A.Entwistle等[10]把三維激光掃描技術應用于考古研究中，并取得一定的成果，研究小組通過使用地貌點云數據，結合地質屬性還原遺址原貌，以GIS平臺為基礎，進行可視化分析和逼真的虛擬建模。

俄羅斯Andrey V.Leonov等[11]在數據丟失和信息不完整的情況下，完成了對莫斯科無線電塔的三維建模，創建了虛擬遺產的下載和二次開發。

土耳其Cumhur Sahin等[12]對伊斯坦布爾的某大型廣場進行三維建模，通過CAD，3Ds Max和地圖等工具完成了該城市的實體建模還原，后來推廣到其他城市的建模中。

2 ? ?三維激光技術在國內的概況

三維激光技術在國內的研究與應用雖然發展較晚，但非常迅速，許多方面甚至處于國際前列。利用三維點陣式云數據分析和大數據實時提取森林樹木的樹體胸徑、樹高、材料體積、樹冠的總體積及樹木表面積等多種相關測量因子，對林木樹測的基本設計理論及實際適用性問題進行具有探索性的深入研究，奠定了三維激光技術在林業廣泛應用的基礎。四川省安全科學技術研究院的團隊在全球首次系統性地將三維激光應用在安全生產中，在礦山安全領域，該院通過三維激光定期對礦山體檢建模，實現安全監管[13-14]，在危化品安全生產領域，通過將三維激光與紅外等先進技術的結合，首次實現對化工園區的安全隱患進行量化監控和管理[15]，減少了事故的發生。在地質工程領域，成都理工大學在三維激光掃描技術的應用取得了一定進展，如近期基于三維激光掃描技術，對錦屏水電站開挖邊坡為研究對象，開展了為期近兩年的現場掃描工作[16]，取得系列成果。

3 ? ?結語

三維激光技術作為新興技術，得到了產學研界的高度重視，在國內外的應用發展非常迅猛。

[參考文獻]

[1]RUSINKEWICZ S.A multiresolution point rendering system for large meshes[C].New Orleans：International Conferenee on Computer Graphies and Interactive Techniques，2000.

[2]ELHAKIM S F，BOULANGER P，BLAIS F，et al. A system for indoor 3D mapping and virtual environments[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，1997（31）：21-35.

[3]EL-HAKIM S F，BRENNER C，ROTH G.A multi-sensor approach to creating accurate virtual environments[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2000（6）：379-391.

[4]S SLOB，H R，G K HACK.Fracture mapping using 3D laser scanning techniques[J].11thcongress of the International Society for Rock Mechanics，2007（1）：45.

[5]JULIEN，TRAVELLETTI，JEAN-PHILIPPE，et al.Image-based correlation of Laser Scanning point cloud time series for landslide monitoring[J].International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2014（10）：1-18.

[6]RONGJUN QIN，ARMIN GRUEN.3D change detection at street level using mobile laser scanning point clouds and terrestrial images[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2014（2014）：23-35.

[7]FRANCIONI M，SALVINI R，STEAD D，et al.A case study integrating remote sensing and distinct element analysis to quarry slope stability assessment in the Monte Altissimo area，Italy[J].Engineering Geology，2014（183）：290-302.

[8]SCHUEREMANS L，GENECHTEN B V.The use of 3D-laser scanning in assessing the safety of masonry vaults—A case study on the church of Saint-Jacobs[J].Optics and Lasers in Engineering，2009（3-4）：329-335.

[9]SHARAF AL-KHEDER，YAHYA AL-SHAWABKEH，NORBERT HAALA.Developing a documentation system for desert palaces in Jordan using 3D laser scanning and digital photogrammetry[J].Journal of Archaeological Science，2009（2）：537-546.

[10]ENTWISTLEJ A，MC CAFFREY K J W，ABRAHAMS P W.Three-dimensional（3D）visualization： the application of terrestrial laser scanning in the investigation of historical Scottish farming townships[J].Journal of Archaeological Science，2009（3）：860-866.

[11]ANDREY V L，MIKHAIL N A，ANDREY V I，et al.Laser scanning and 3D modeling of the Shukhov hyperboloid tower in Moscow[J].Journal of Cultural Heritage，2015（4）：551-559.

[12]CUMHUR S，AYHAN ALKIS，BAHADIR E，et al.Producing 3D city model with the combined photogrammetric and laser scanner data in the example of Taksim Cumhuriyet square[J].Optics and Lasers in Engineering，2012（12）：1844-1853.

[13]王自力，王立娟，尹恒.基于空天地三維數據的尾礦庫安全監管技術研究[J].中國安全生產科學技術，2019（2）：126-132.

[14]馬國超，王立娟，馬松，等.基于激光掃描和無人機傾斜攝影的露天采場安全監測應用[J].中國安全生產科學技術，2017（5）：73-78.

[15]廖學燕，鄧利民.三維激光及紅外熱成像技術在化工園區安全測控的應用[Z].四川省人民政府關于2017年度四川省科學技術獎勵的決定，2018.

[16]霍俊杰.錦屏I級水電站壩基巖體質量評價與可利用性研究[D].成都：成都理工大學，2010.

Abstract：In this paper， the progress of three-dimensional laser scanning and its application in the world is reviewed. In foreign countries， it is a new technology that is mainly applied in the fields of disaster relief， accident site， mountain， building and biology.It has developed rapidly in China， and has been widely used in railway， safety production， forestry and other fields. It is more widely used in engineering and secondary development than abroad.

Key words：three-dimensional laser scanning technology; foreign; domestic; application