三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在工程測(cè)量的應(yīng)用

孫逢祥

摘 要：隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑工程的建設(shè)規(guī)模和建設(shè)總量不斷擴(kuò)大。測(cè)繪工作作為建設(shè)工程施工中的重要工作環(huán)節(jié)，直接影響施工質(zhì)量和整體安全性。因此，施工單位必須合理應(yīng)用施工測(cè)繪技術(shù)，全面提高施工測(cè)繪工作的精度。三維激光掃描技術(shù)在建筑測(cè)繪中的有效應(yīng)用，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)建筑測(cè)繪的不足，為我國(guó)的相關(guān)工作開展提供幫助。

關(guān)鍵詞：激光掃描;測(cè)繪;建筑

引言

目前，三維建模技術(shù)主要分為3種：人工建模，傾斜攝影建模和激光雷達(dá)建模。人工建模方法模型效果較好，但其制作需要大量人力和制作周期，適用于小范圍、特定目標(biāo)的三維建模。三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于以激光為介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量，通過計(jì)算激光的反射時(shí)間確定距離，并且通過多點(diǎn)測(cè)量可以獲取多個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而構(gòu)建三維模型，這對(duì)于建筑工程施工活動(dòng)的開展具有重要的參考價(jià)值，可以有效確保施工活動(dòng)順利進(jìn)行。

1 三維激光掃描技術(shù)和地籍測(cè)繪簡(jiǎn)介

該技術(shù)是一種全自動(dòng)掃描技術(shù)，精度高，能在短時(shí)間內(nèi)采集物體表面的連續(xù)三維坐標(biāo)和相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)。基于此，這種技術(shù)通常被稱為真實(shí)場(chǎng)景復(fù)制技術(shù)。屬于測(cè)繪領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的再創(chuàng)新。與全站儀和GPS測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描數(shù)據(jù)信息的采集效率更高，其采樣點(diǎn)相對(duì)較大，可以全面防止原始測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)在應(yīng)力分析中的片面性和局限性，即解決點(diǎn)帶面分析的缺點(diǎn);與近景攝影測(cè)量方法相比，該技術(shù)雖然不能建立連續(xù)的三維模型，但工作效率高，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作也非常簡(jiǎn)單。它可以在短時(shí)間內(nèi)建立測(cè)繪的三維數(shù)據(jù)模型，具有很好的應(yīng)用前景。由于激光掃描三維數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是在原有測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，借助激光掃描儀可以高效地采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將野外工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)部工作，大大縮短了野外工作時(shí)間。同時(shí)，也有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于全面提高工作效率。

2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與以往的測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有更現(xiàn)代的特點(diǎn)。它能有效地利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正，且受時(shí)間和空間的約束較小。該技術(shù)可以采用非接觸式掃描方式，不采用反射棱鏡，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)采集目標(biāo)的三維掃描，從而獲得相應(yīng)的建筑數(shù)據(jù)。采集過程由掃描設(shè)備自動(dòng)完成。此外，在使用三維掃描技術(shù)時(shí)，還可以超出實(shí)際測(cè)繪范圍，從而保證獲取數(shù)據(jù)的完整性和有效性。在進(jìn)行相關(guān)掃描工作時(shí)，不需要繪制或測(cè)量測(cè)量范圍，只需要在整體工作中進(jìn)行部署和安排，以完成相關(guān)任務(wù)。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以利用掃描的光束來檢測(cè)自身發(fā)送的激光信號(hào)是否能夠正常獲取建筑物的相關(guān)位置信息。這樣，在相關(guān)掃描過程中就可以不受環(huán)境和建筑物遮擋因素的約束。三維掃描技術(shù)可以更快、更準(zhǔn)確地獲取云數(shù)據(jù)，并對(duì)建筑物測(cè)量及相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，從而提高數(shù)據(jù)分辨率，減少測(cè)量過程中的遺漏。

3 建筑測(cè)繪工作中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集屬于非常關(guān)鍵的部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的有效拼接，以及促進(jìn)點(diǎn)云由工程坐標(biāo)系發(fā)展到地方坐標(biāo)系。外業(yè)控制測(cè)量應(yīng)借助GPS網(wǎng)絡(luò)RTK，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，同時(shí)在這一過程中，應(yīng)確保控制點(diǎn)同掃描站處于通視狀態(tài)且各個(gè)控制點(diǎn)的距離為100 m。針對(duì)激光掃描作業(yè)來說，應(yīng)有效增強(qiáng)數(shù)據(jù)的全面性，并且對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)行科學(xué)把控，在這一過程中，應(yīng)保證采樣的科學(xué)距離。

3.2 設(shè)置站點(diǎn)

在使用三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際操作過程中，所采集的掃描數(shù)據(jù)由站接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析。因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，車站的設(shè)計(jì)必須考慮地形和環(huán)境因素。大多數(shù)臺(tái)站主要設(shè)置在高原或視野開闊的地區(qū)，可以保證在測(cè)量過程中不受地形影響。跟上地圖，為登記區(qū)域設(shè)置控制點(diǎn)，然后在車站設(shè)置的控制點(diǎn)上進(jìn)行調(diào)平。由于使用三維激光掃描技術(shù)所使用的坐標(biāo)系是獨(dú)立的，因此在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，車站的設(shè)計(jì)需要根據(jù)旅行路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保不同車站之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)的收集整理，防止數(shù)據(jù)混淆。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，應(yīng)采取反射片方法完成，其拼接精度在5 mm以下，關(guān)于部分掃描站，能夠開展選點(diǎn)拼接，不過當(dāng)拼接結(jié)束后，還需開展平差計(jì)算，其拼接精度應(yīng)小于等于5 mm。在坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方面，針對(duì)所設(shè)的控制點(diǎn)，要求其精度小于等于1 cm。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，才能制作測(cè)量成果，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建比例為1∶500的地形圖，在這一過程中，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)代替全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)。無論是地坪測(cè)量，還是建筑物測(cè)量和附近關(guān)系測(cè)量，甚至自身高度測(cè)量，都能夠依托于點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)量取，也可以借助模型量取。充分結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還能夠獲取與建筑物有關(guān)的資料，比如平面圖，借助點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，能夠保證圖形的直觀效果，確保其精確性。

3.4 基于ICP算法多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及融合建模

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將處于不同的空間坐標(biāo)系的點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，即計(jì)算出2個(gè)空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系。這里采用手動(dòng)粗配準(zhǔn)與自動(dòng)精配準(zhǔn)結(jié)合的方法進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。精配準(zhǔn)采用的是ICP點(diǎn)云匹配算法，而ICP算法的配準(zhǔn)效果與點(diǎn)集的初始位置有很大的關(guān)系，因此不能直接用于點(diǎn)云精配準(zhǔn)，需要利用其他手段進(jìn)行粗配準(zhǔn)之后才能得到較好的效果。ICP的基本原理是：首先獲取兩個(gè)點(diǎn)集的特征點(diǎn)，通過建立特征點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系解算出兩者之間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，利用求解出的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。最后，將直升機(jī)傾斜攝影影像與配準(zhǔn)之后的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入Context Capture三維建模軟件中，利用該軟件生成城市實(shí)景三維模型。基本三維加密完成后，將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為控制基準(zhǔn)，再次調(diào)整上一步生成的三維加密點(diǎn)。利用點(diǎn)云的幾何特征提取相應(yīng)的特征點(diǎn)，從而計(jì)算出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)平移變換矩陣。最后，將與圖像匹配的稀疏點(diǎn)云和機(jī)載點(diǎn)云嵌套在一起，細(xì)化圖像在拍攝時(shí)的空間位置和姿態(tài)。

4 三維激光掃描技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

在今后三維激光掃描技術(shù)可以運(yùn)用在建筑文物的修復(fù)中，通過三維激光技術(shù)進(jìn)行掃描，獲取建筑信息從而建立可測(cè)量的立體建筑圖像。避免在測(cè)量建筑物體時(shí)使建筑受到損壞，在當(dāng)前的應(yīng)用背景下三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸開始涉及到文物保護(hù)中。該技術(shù)可以采用高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合所獲取的彩色圖像信息對(duì)建筑物的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體式的反映。構(gòu)建三維模型為建筑和文物的修復(fù)提供一定的參考和數(shù)據(jù)。逆向工程指的是在依據(jù)已經(jīng)構(gòu)建的修復(fù)模型基礎(chǔ)上，開展對(duì)實(shí)物的測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的信息，指導(dǎo)數(shù)字模型生成。以往的測(cè)量方法不能完全適用于當(dāng)前的建筑測(cè)繪工程需要，所以必須進(jìn)行加以改進(jìn)三維激光掃描技術(shù)。也可以快速和準(zhǔn)確地獲取建筑物的參數(shù)信息，同時(shí)也可以準(zhǔn)確地掃描已有的建筑模型，對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重構(gòu)建筑模型。。

結(jié)束語

綜上所述，通過三維數(shù)字化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，可以完全實(shí)現(xiàn)測(cè)圖點(diǎn)的定位，在短時(shí)間內(nèi)采集到大量的測(cè)圖點(diǎn)參數(shù)信息。可實(shí)時(shí)采集測(cè)量距離和角度的測(cè)繪數(shù)據(jù)。為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和施工人員提供更準(zhǔn)確的施工坐標(biāo)參數(shù)，整體測(cè)量效率較高。有效優(yōu)化測(cè)繪人員的工作效果，為建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。

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