地面三維激光掃描測量技術的應用研究

王晶晶

（山東省地質測繪院，山東 濟南 250002）

地面三維激光掃描是在現階段科學技術發展過程中出現的一種新型專業測量技術，相較于傳統的人力測量和3S技術來說，利用激光進行數據的測量，不僅在準確性方面有所提升，還可以實現遠距離的數據檢測，在很大程度上簡化了數據測量的流程和步驟，對現階段的數據測量技術產生了很大的影響。但是其作為一種新型的技術，由于需要相關設備的支撐，在發展的過程中還存在落實方面的問題，這在一定程度上制約了該技術的推廣。所以在發展的過程中，需要相關人員加強對地面三維激光測量技術的重視和研究，將現代社會需求與測量技術工作結合起來，推動技術發展的同時促進社會的發展。

1 地面三維激光掃描測量技術概述

1.1 地面三維激光掃描技術的概念

在現階段社會的發展過程中，科學技術日新月異，在測量掃描技術方面，也出現了各種新型的技術。三維激光掃描測量技術是在激光技術的基礎上產生的一種新型測量技術。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。在運行過程中，三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，然后對這些信息進行分析整理，就可以得出對象的具體數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型[1]。相較于傳統的測量技術來說，激光測繪技術具有很強的優勢性，已經得到了相關人員的重點關注。

1.2 地面三維激光掃描技術的程序和特點

三維激光掃描技術主要通過高速激光掃描測量的方法，對需要掃描的對象進行測量，然后大面積高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，并且測出測量對象的反射率以及顏色等信息。然后將這些信息傳輸到計算機等設備中進行具體的分析和整理，從而復制出1∶1的真彩色三維點云模型。該模型中包含著測量對象的各種信息，能夠在很大程度上滿足測量工作的需要，為后續的業務處理和數據分析等活動都提供了足夠數量并且十分精準的數據。而且通過三維激光技術進行測量，還具有快速性、效益高、不接觸性、穿透性、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化和實時性強等優勢[2]。相較于傳統的3S測量技術來說，三維激光技術在發展過程中實現了技術的再突破，打破了目前空間信息技術發展實時性與準確性的頸瓶，實現了對測量對象的多點測量。

1.3 激光技術的應用設備和應用環節

在三維技術的發展過程中，相關人員結合激光掃描的特點，研發出了專業的測量設備，即三維激光掃描儀，三維激光掃描技術是國際上近期發展的一項高新技術，是通過激光測距原理瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器，并利用三維技術獲取的空間點云數據，快速建立結構復雜、不規則場景的三維可視化模型。三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架以及系統配套軟件構成。這些設備共同組合成了三維激光掃描測量系統，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。該設備主要應用于文物保護、城市建筑測量、地形測繪以及各種工程建設中。

2 地面三維激光掃描測量技術的優勢和缺陷

激光掃描技術作為3S測量技術的上位替代，必須要具有很大的優勢，才能在現階段發展過程中快速推進。現階段的激光掃描技術在發展的過程中克服了傳統測量技術只能進行單點測量的問題，可以實現多點同時測量，很大程度上保證了數據的精準性。然而激光測量也存在本身的劣勢，相關人員要想將其應用到現代工程檢測環節，就需要同時了解其優勢和缺陷，這樣才能更好地發揮激光掃描的優勢，避免在應用環節出現問題。

2.1 地面三維激光掃描測量技術的優勢

作為在3S技術基礎上提升而來的一種全新的測量技術，地面三維激光主要特點首先是具有較高的精準度，傳統的測量技術很容易就會受到外界自然環境的影響，造成測量結果出現偏差，3S測量技術雖然在一定程度上能夠規避外在環境以及惡劣天氣對實驗結果造成的影響，但是其只能實現單點測量，相較于地面三維激光技術的多點測量就存在精準度方面的差距。其次，設備的智能化程度較高。通過三維激光掃描儀進行的測量工作，相關人員只需要設置好參數和測量位置，設備就能夠實現自動化運行，在數據檢測、數據收集以及數據處理等環節實現全流程的自動化。而且在發展過程中，計算機按照事先設置好的程序進行工作，一旦工作環節出現偏差，還能夠自主進行糾正，智能化程度較高。再次，信息收集范圍廣。地面三維激光掃描技術收集到的信息范圍相較于傳統的檢測技術來說也較為廣泛，該技術實現了多點位的測量作業，并且利用激光的性能實現對測量對象全方位檢測，能夠快速而且準確地收集到大量的數據信息。后臺系統在接收到這些信息之后，能夠通過相關軟件進行自動化的處理，并建立起三維的虛擬模型，更加直觀而且全面地展現對象的信息。最后，能夠提升測量工作的效率。傳統的測量技術在信息收集環節無法甄別錯誤信息，往往會將收集到的信息全部傳輸到計算機中，還需要專業的人員進行篩選，這在一定程度上影響了測量工作的效率[3]。地面三維激光測量技術在對大量的信息進行存儲的過程中，能夠顯示出來有問題的數據，幫助相關人員快速篩選信息。而且該技術設備較為簡單，測量工作開展方便，能夠在很大程度上提升測量的效率。

2.2 地面三維激光掃描技術的缺點

地面三維激光掃描測量技術作為現階段社會發展過程中出現的新型測繪技術，對測量行業的精度提升很大，具有很強的優勢性。但是在其發展過程中，由于技術性等方面的原因，其也存在一些缺陷。首先，作為科學發展的產物，地面激光三維掃描技術具有很強的技術性，需要借助激光掃描儀才能夠實現測量作業，所以相關人員在進行測量的過程中就需要花費大量的資金進行設備的購買，而且相應的三維模型建立也需要專業的軟件進行操作，也需要一定的成本，前期投入的資金量比較大。其次，技術性較強也帶來另一重要問題，這就需要專業技術人員的支撐，激光掃描儀雖然在一定程度上實現了測量作業的自動化，還能夠實現問題自動甄別，但是前期的儀器參數設置以及后期的信息篩選甚至是三維模型的建立都需要技術人員的參與，就需要專業的技術支撐。最后，設備的應用環節問題。相較于傳統的測量技術來說，三維激光掃描技術發展較晚，專業人員對其的研究還未深入，現階段激光掃描技術還停留在淺層的利用方面，這就造成技術推廣方面存在問題，或者是測量對象錯誤等問題，也在一定程度上影響了地面三維激光掃描測量技術的應用。然而即便如此，該技術依然具有很強的優勢性，其存在的問題相較于其優勢可以說是瑕不掩瑜，相關人員在利用的過程中就需要能夠針對該技術產生不良影響的各種因素采取必要的預防措施，在避免其缺陷的前提下進行該技術的使用，并在應用環節對其進行完善。

3 地面三維激光掃描測量技術的具體應用

作為測量技術的一種，地面三維激光的功能主要就在于實現對各種工程的測量，從而方便后續工作的開展，所以如何將地面三維激光測量技術應用到現階段社會的發展過程中才是相關人員需要考慮的問題。相較于傳統的測量技術來說，地面三維激光掃描技術具有很強的優勢性，在保證質量的同時能顯著地提升測量效率，所以在發展的過程中，地面三維激光測量應該成為傳統測量技術的上位替代。但是在現階段的發展過程中，由于實際環境和各種因素的影響，該技術在使用范圍方面也會受到一定的限制。現階段的地面三維激光測量技術主要適配于文物數字化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化以及城鄉規劃等各個環節。

3.1 地形圖繪制

在現代社會的發展過程中，為了進一步規劃資源利用和促進現代化的發展，相關人員在發展過程中就需要針對地形進行測量，以方便公路鐵路以及各種工程的建設。但是由于相關工程結構較為復雜，對質量的需求很高，工作人員就需要在對當地地質以及地形等特征進行了解之后進行工程的建設，這樣才能保證工程的質量。地面三維激光測量技術作為先進的測量手段，可以應用在地形圖測繪的等高線生成、獲取特異點、提取地物與繪制以及編織成圖等環節。在提取地物與繪制環節，由于我國的地形復雜多樣，山地、丘陵、斷壁以及懸崖等較為特殊的區域常規測量手段難以實現對其的測量，就可以通過地面三維激光掃描技術以一種無接觸方式實現對該地區的測量。這樣一來，就能在很大程度上保證數據測量的完整性。在等高線的繪制方面，等高線作為確定地形圖展示實際高度的重要指標，在地形圖測繪中具有重要的作用。地面三維激光測量技術可以實現對該區域全程的信息采集，然后經由相關人員對地物、植被進行剔除，借助平均面迭代法計算出平均面[4]。之后在經由專業的設備剔除與平均面有較遠距離的數據，重復此操作，就能夠得到較為完整的地貌數據。然后就是把抽稀之后所得到的點云數據導入大比例尺數字測圖軟件當中，便能夠自動生成所需要的等高線。相較于傳統的測量技術來說，激光測量具有較為明顯的優勢，在數據的精準度和測量效率方面均有所提升。而在特征點獲取環節也需要激光技術的運用。特征點是指實際地形中具有鮮明特點的事物或建筑，運用地面三維激光掃描技術，首先針對區域實際情況進行掃描，該技術就能自動尋找到標志性的建筑物或者是特別容易甄別的地貌。這樣一來，就能夠為地形圖的繪制提供參考點，避免相關測繪環節出現失誤。最后就是編制成圖環節。地面三維激光測量還具有數據分析系統，通過事先檢測到的具體數據，計算機以及專業的系統軟件就能在電腦上實現對該區域的建模，然后就可以根據模型進行地形圖的繪制。用地面三維激光掃描技術開展地形圖測繪，不僅降低了相關人員外景采集的難度，還在很大程度上保證了測量信息的準確性，是對傳統地形測繪的巨大提升。

3.2 土方量計算環節

地面三維激光測量技術不僅能適用于地形的測量，還能夠應用在工程方面，對土方量進行測量。土方量是指建筑工程施工環節挖土、填土以及運輸等環節土的立方米總量，在工程發展過程中具有重要的作用，其精準度直接影響相關建筑工程的質量。在將地面三維測量技術應用到該環節時，首先需要根據工程的實際需要，對土方填挖量進行計算，借助激光技術，收集道路的縱橫斷。其次在收集邊坡以及道路縱橫斷等各種信息，按照相關的技術指標構建曲面模型，從而將建筑的整體需求展現在模型中，這樣一來，相關建筑人員就能夠根據模型得到準確而全面的數據，從而降低工程建設環節難度[5]。最后就是將曲面模型和地面模型按比例進行增減計算，激光技術就可以通過計算機以及相關軟件計算出土方的量，從而核算土方量是否一致，保證工程的順利實行。此外，針對建筑工程的基準面也要多加關注，在發展過程中利用激光技術測量出基于工程的高程及邊界建立基準面，在處理好點云數據后，將其進行坐標系轉換，使之處于工程實地坐標系當中，并通過最小二乘法來完成起算基準面的構建，還可以根據實際情況進行數據的調整。這樣一來，就能夠在很大程度上保證建筑工程的順利開展，從而促進建筑事業的發展。

3.3 道路數據測量

現階段，社會的發展離不開交通事業的支持，道路作為交通系統的基礎組成，在社會發展過程中承擔著重要的任務。道路對于質量有著較高的要求，而且往往會經過各種復雜的地形以及環境惡劣的地區，這就需要根據實際情況進行工程的建設。將地面三維激光測量技術運用到道路的建設過程中，就能在很大程度上提升道路建設的質量和效率。一方面，針對道路的高程測量，在三維激光掃描出現以前，相關人員在進行道路的高程測量工作時需要耗費大量的精力，還需要借助水準儀以及塔尺等工具進行測量，不僅效率低下，還很容易產生偏差。三維激光掃描技術通過系統自動進行相關數據的掃描，選擇出特征點，并計算出特征點之間的距離，然后將這些數據傳輸到后臺處理系統中，進行模型的構建，這樣一來，就能夠通過模型和實際地形的對照，經過修整之后實現對道路高層的測量。而在道路竣工測量中，傳統的測量方法需要大量的設備進行具體數據的收集，工作量十分艱巨，在一定程度上阻礙了工程的發展[6]。將三維激光技術應用到竣工測量中，激光測量儀就能自動對道路樣圖與縱橫斷進行測繪，并基于點云數據處理實現坐標系的轉換，進而實現三維坐標的自動提取以及道路樣圖的繪制，在很大程度上提升竣工檢測的效率。

3.4 三維建模

傳統的測量手段和三維激光測量技術最大的差異就是地面三維激光技術能夠對測量對象進行三維建模，將數據轉化為直觀的圖形信息，在保證數據精準度的基礎上實現了效率的提升，所以該技術在三維建模方面發展迅速。一方面，借助地面三維激光掃描技術信息收集的廣泛性特征，相關人員能夠得到海量的測量對象的各種信息以及三維點云數據，為三維真實尺寸場景的制作提供了足夠的數據支撐，相關人員能夠憑借這些數據，再結合紋理映射所生成的彩色三角網面片，建立起對應各種信息的分塊模型，然后將分塊模型進行整合，實行邊緣模糊化處理之后，就可以構建一個尺寸真實且信息精準的彩色模型，增加了模型制作的精細程度。另一方面，現階段工業發展過程中的設備越發復雜，傳統的建模手段難以滿足發展的需要，通過三維激光測量技術的使用，便能得到精確度更高的3D模型，并且還能提供具有可視化效果的三維模型，在很大程度上促進了工業的發展。

4 結束語

在現代社會的發展過程中，由于城市化發展和社會進步的需要，測量技術的重要性與日俱增，地面三維激光測量技術作為現代社會測量技術的重要組成，相較于其他技術來說具有很強的優勢，需要相關人員加強對其的重視程度。但是作為新興的測量技術，要想充分地發揮其功能，相關人員還需要解決該技術在發展過程中存在的問題，并且結合激光技術本身的特點，將其應用在合適的方面，最大程度上發揮出三維激光掃描測量技術的功能和優勢，促進我國測量技術的發展進步。