三維激光掃描技術在工程測量中的應用

周 超，李 慧

（浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 310000）

工程測量過程中會產生大量的數據和信息，傳統人工方式在數據處理和信息歸納過程中的效率較低，且精準性不高。利用信息技術結合人工管理的方式進行綜合作業能夠進一步提升工程測量的效率。三維激光掃描技術充分利用了激光測距的原理，實現了數值的信息化統計和歸納，以及利用技術進行點位測量和云圖密度分析的目標。因此，文章探究了三維激光掃描技術在工程測量中的應用，并且著重分析了其原理和類型，進一步明確了三維激光掃描技術的應用價值。

1 三維激光掃描技術的類型及工作原理

就當前三維激光掃描技術的應用情況來看，可以分為固定式和移動式兩種。其中固定式技術主要依賴于測量設備全站儀，將其作為激光掃描的控制中心以及數據處理中心，全站儀能夠將大量的數據進行匯總整合，并且通過處理軟件來形成三維坐標，具有操作簡單、高精度、高效率、范圍廣的優勢[1]。

而移動式的三維激光掃描技術，主要利用車載平臺進行移動式定位掃描，借助GPS系統、IMU系統，并結合三維激光掃描技術組成整體的運轉系統，具有更高的靈活性，但是對于某些地形較為惡劣的環境開展測量作業，具有一定的阻礙。

從該項技術的運行上來講，主要的核心原理為激光測距技術。在運行過程中，激光測距技術會不斷地進行數據的采集和處理工作。接收設備會對測量對象返回的激光強度進行接收，并且根據激光的強度來測量對象點的距離數值，進行顏色的灰度匹配[2]。從測量作業的整體流程上來講，定位測量點的過程即為整體系統打造局部坐標的過程。掃描儀往往充當了原點的角色，利用這三點的坐標系統能夠定位測量點的相關數值。詳細的測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術的測量原理

就當前業內的應用現狀來看，利用固定式全站儀進行掃描作業的應用較為廣泛，而移動式的掃描作業技術由于受到了較多因素的影響，依舊處于不斷地實驗和發展階段，因此文章所討論的三維激光掃描技術主要以固定式全站儀形式為主。

2 三維激光掃描技術在工程測量中的應用流程

工程測量的方向主要以地形圖的繪測、計算土方量、竣工后的工程測量以及施工過程中的三維建模這幾個方面為主，每一個領域都涉及了大量的數據測繪和采集工作。這些數據的精準性將直接影響工程后期的質量和穩定性，因此利用三維激光掃描技術進行測量，能夠為工程建設提供安全保障，基礎的流程為以下幾個階段：

首先，需要做好掃描作業前的準備工作，勘測掃描環境，確定掃描儀的位置以及標靶的位置，保證掃描點和掃描儀之間獲取到的數據能夠代表整體的測量區域。在掃描的過程中，需要對掃描對象進行拍照，形成后期的影像數據。

其次，需要獲取點云數據，不同的測站需要對范圍內的3～4個掃描點進行精準測量，來規劃掃描控制標靶的中心位置。結合多項數據來確立三維坐標，將坐標體系作為后續數據配比的基準。

最后，結合獲取到的數據與前期的地形拍攝圖、繪測數據、不規則的環境體積以及工程的相關資料進行分析[3]。

3 三維激光掃描技術在工程測量中的實際應用

以下著重分析三維激光掃描技術在地形圖繪制、土方量計算、道路竣工測量以及三維模型構建等方面的應用情況。

（1）繪制地形圖。地形圖繪制過程中的主要流程如下：首先，以點云數據處理為基準，在提取整體的地形地貌基礎上確定特征點，通過多項圖層的結合來形成地形圖。首先，提取地面的特征點。在已經完成掃描的圖像中定位具有特征的點位，例如區內的電線桿、房屋的角點以及高大的樹木等。特征點定位之后需要將其導出，利用數字測圖軟件進行繪制。其次，定位等高線。此時需要將已經測量好的點云數據進行抽稀，將處理之后的點云數據與大比例尺的數字測圖軟件進行結合，利用軟件的自動生成功能來形成等高線。最后，完善等高線。通過已經確定的等高線以及地形圖進行補缺和調整，利用人工編輯的方式，結合地形圖和實際環境作用中的地物進行充分疊加，使等高線更加圓滑、完整[4]。

從使用優勢上來看，利用該項技術可以減輕人工野外作業的難度和強度，同時也可以精準的獲取較為細致的地形地貌，但是在處理點云數據的過程中較為繁冗，因此，對于地形圖測繪來講，起到的成效并不是十分明顯。

（2）計算土方量。利用三維激光掃描技術來計算土方量時，首先需要打造基準面，在得到點云數據之后再將這些數據與坐標系進行結合，利用最小二乘法進行計算，提升數據的精準度，最后結合高程信息以及點云數據的邊界來打造基準面。結合不同的工程信息，基準面的形狀通常以高程為主，同時也存在曲面等類型。接下來需要將地形圖中的非地貌數據剔除，主要有地形地面上的基礎設施以及植被。剔除的方式可利用平均面迭代法，反復多次直至地形表面的構造物都被剔除之后，才能夠得出基準的數據。最后結合構建完成的基準面來打造不規則三角網，利用三角網的數據與坐標之間的數據進行結合，生成數字模型，利用模型中的相關數據便可以計算出挖方量和需要填方的體積[5]。詳細的測繪流程如圖2所示。

（3）道路竣工測量。利用三維激光掃描技術來獲取道路的相關數據，需要在形成點云數據的基礎上來進行坐標轉換，根據固定間隔來提取點云數據中的三維坐標。詳細信息如圖3所示。接下來結合自動生成的等高線來繪制工程的樣圖，并且擬定橫斷面如圖4所示。

利用該項技術進行道路工程竣工測量，可以進一步提升作業效率，減少傳統人工勞動的強度，同時數據方面也較為精準，最后制定的地形圖也能夠反映工程的實際信息。

圖3 道路工程坐標提取

（4）三維模型構建。在利用三維激光掃描技術構建模型時，點源數據的密度將直接影響最后模型的精度，因此需要利用三角網以及構建軟件進行獨立分析和展示。另外，在正射影像數據提取的過程中，要確保數據的數量和精度，為整體的模型提供精確的紋理[6]。紋理信息的獲取主要依靠掃描儀上安裝的數碼相機，紋理需要與最終形成的點云數據以及三角網進行疊合，才能夠使紋理圖像的位置更加精準，且具備糾正和縮放等功能。

圖4 道路工程橫斷面擬定（單位：m）

4 結束語

綜上所述，隨著信息技術的不斷發展，三維激光掃描技術已經為工程測量作業提供了大量的可行性依據。探究三維激光掃描技術的類型和運行原理，能夠為該項技術在工程測量領域中的應用提供技術支持，同時也可以提供創新和升級的依據。相關人員應致力于對三維激光掃描技術的進一步研究，拓展該項技術的應用前景。