簡述三維激光掃描技術(shù)在測繪中的應(yīng)用

(成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059)

一直以來，準確、快速、有效地獲取空間三維數(shù)據(jù)信息都是地球科學領(lǐng)域研究的重點內(nèi)容之一。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及地理信息科學技術(shù)研究的深入和“數(shù)字城市”、“智慧城市”、“數(shù)字文物”、“虛擬現(xiàn)實”、“逆向工程”、等概念的提出，人們對空間三維信息的需求已經(jīng)變得更加迫切。傳統(tǒng)的基于測距側(cè)角的方法只在稀疏目標點的高精度測量方面效率很高，攝影測量和遙感方法獲取的是二維影像數(shù)據(jù)，不可避免地丟失了部分集合信息。因此，傳統(tǒng)的獲取空間三維信息的方法已經(jīng)難以滿足社會發(fā)展的要求。三維激光掃描技術(shù)(3D Laser Scanning Technology),又稱實景復(fù)制技術(shù),具有高精度，高效率的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能夠提供被掃描的目標表面的三維點云數(shù)據(jù)信息,因而可以用于獲得高精度，高分辨率的數(shù)字地形模型。由于三維激光掃描具有高精度、高密度、主動性、快速性、穿透性、不接觸性、實時、動態(tài)、自動化等特性,三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用和推廣在今后將具備重大的意義,可以說是在測繪領(lǐng)域中繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。

一、三維激光掃描優(yōu)勢

(一)遠距離非接觸測量。三維激光掃描技術(shù)的最大特點就是遠距離的非接觸測量。三維地面激光掃描是直接使用發(fā)生激光得激光器對物體進行測量，直接獲取物體表面的三維激光點云坐標數(shù)據(jù)信息，不需要發(fā)射棱鏡或者需要人工到達現(xiàn)場進行測量。三維激光掃描系統(tǒng)獲取的激光點云數(shù)據(jù)的坐標真實可靠?？梢杂糜谖ｋU地、人員難以到達等地方的遠距離測量，比傳統(tǒng)測量方法具有較大的優(yōu)勢。

(二)數(shù)據(jù)密度大、速度快。無論是脈沖式激光掃描的設(shè)備還是相位式激光掃描的設(shè)備，設(shè)備激光掃描速度均可以達到數(shù)千點/秒甚至是可以達到數(shù)十萬點/秒。激光獲取點云的掃描速度是傳統(tǒng)方法不能比擬的。三維激光掃描設(shè)備通過激光發(fā)射器主動發(fā)射激光，利用回波信號得到被測物體的點坐標數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場測量時，不受外部環(huán)境的影響。

(三)精度高。三維激光測量系統(tǒng)可以獲取高密度和高精度的激光點云數(shù)據(jù)，采集到的激光點云數(shù)據(jù)分辨率也較高[1]。

(四)可與常規(guī)測量設(shè)備聯(lián)合使用。三維激光掃描技術(shù)可以獲得被測物體的多種多樣信息，包括激光點云坐標信息、RGB信息和反射率信息等，這些信息大大擴展了三維激光掃描技術(shù)的運用范圍，特別是和傳統(tǒng)的全站儀、GPS等測量手段結(jié)合使用，進一步擴寬了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

二、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

(一)地面三位激光掃描技術(shù)在文物測繪中的應(yīng)用。文物是古代人民的勞動結(jié)晶，通過研究文物可以獲得豐富的研究成果，對了解古代人民的生活勞動方式具有重要意義。對于某些文物來說，在三維激光掃描技術(shù)中的三維建模里，當文物的三位掃描模型被建立后，可以得到多方面的好處。三維激光掃描技術(shù)以不損傷物體的手段,獲得文物的外形尺寸和表面紋理,這樣做成的電子文獻,信息完整全面,易于保存,并且能詳細了解表面,隨時方便地得到等值線、斷面、剖面等[2]。當建筑和文物遭到破壞后利用三維激光掃描技術(shù)能快速而準確地修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。

(二)三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

(1)帶狀和局部地形測量：帶狀地形圖測量主要對線路兩旁(鐵路、公路、河流兩岸等)的局部不規(guī)則帶狀地形進行測量；局部地形測量主要對危險的或者人員難以到達的地帶(如巖壁、開挖區(qū)、塌陷等)進行測量。三維激光掃描測量可以保障人員安全，這些地形測量工作較傳統(tǒng)的測量方法有更高地效率。

(2)路面測量：用于路面竣工已后的質(zhì)量檢測；計算路面平整度；也可以為道路設(shè)計提供實地模型。

(3)大型土木工程形狀測量：包括對隧道、橋梁、地下坑道等在施工過程中和竣工后的形狀測量，既可以進行施工指導(dǎo)和質(zhì)量控制，又可以作為數(shù)字文檔資料。

(4)變形監(jiān)測：相對于傳統(tǒng)的測量方法與技術(shù)(GPS、全站儀)而言，其精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細節(jié)變化，也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁等工程變形監(jiān)測有很好的前景[3]。

(三)三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用。隨著時代變化和人們思想觀念的改變，礦山所涉及的內(nèi)容越來越廣泛。我國自改革開發(fā)以來，礦山測繪工作也受到重視，三維激光掃描技術(shù)作為高速測量全站儀系統(tǒng)，其特點包括速度快、受環(huán)境影響較小和非接觸測量，越來越多的應(yīng)用到礦山測量中。主要用主動式激光掃描來完成的[4]。

(四)三維掃描技術(shù)在逆向工程的應(yīng)用。逆向工程是指在設(shè)計圖紙不完整，乃至沒有設(shè)計圖紙或CAD模型的情況下，按現(xiàn)有實物的模型，使用各種CAD技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)來進行重新構(gòu)造原形的CAD模型的過程。早期設(shè)計師在進行產(chǎn)品的造型設(shè)計時，所采用的方法主要是正向設(shè)計法；這是一個從概念設(shè)計起步到CAD建模、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程，產(chǎn)品造型設(shè)計的正向設(shè)計流程示意：概念設(shè)計→CAD/CAM系統(tǒng)→制造系統(tǒng)→新產(chǎn)品。但對于復(fù)雜的產(chǎn)品，正向設(shè)計方法也顯示出了他的不足，設(shè)計過程難度系數(shù)大、周期較長、成本高、不利于產(chǎn)品的研制開發(fā)。逆向設(shè)計正在方法改正向設(shè)計過程中所產(chǎn)生的局部問題，正是在這樣的背景下三維掃描技術(shù)應(yīng)用到逆向設(shè)計方法中。

(五)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)除了在上述行業(yè)中的應(yīng)用外，還廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、水利水電測繪、地籍測繪等各個行業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)將具有很大的發(fā)展空間，將會成為一種普遍在測繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段，因此，加強對三維激光掃描技術(shù)在測繪中的應(yīng)用研究迫在眉睫。

三、結(jié)論與展望

三維激光掃描技術(shù)與其他三維數(shù)據(jù)獲取方法相比：非接觸測量，不用設(shè)置放射棱鏡，這樣就可以避免測量人員到一些危險的地方安置棱鏡。三維激光測量的方法與傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲得方法相比，它是通過掃描的方式來獲取目標海量的點云數(shù)據(jù)，能更快速的獲得得到高分辨率的數(shù)據(jù)。對于目標物的掃描測量比傳統(tǒng)的單點采集方法更細致，而且采樣率高，這些是傳統(tǒng)的測量儀器無法企及的。跟隨著三維激光技術(shù)的不斷發(fā)展與更新完善,以及物體三維信息數(shù)據(jù)需求量的增加,三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測量技術(shù)相互結(jié)合，融為一體,作為一種新的空間數(shù)據(jù)獲取的手段,三維激光掃描技術(shù)具有更加寬闊的發(fā)展空間,它將會成為一種普遍應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的新技術(shù)。

[1]鄭俊鋒,于水敬,張志友,胡國奇,劉鐵柱.三維激光掃描系統(tǒng)在測繪技術(shù)中的應(yīng)用前景[J].科技信息,2007,30:10.

[2]李莎莎,焦元冰.三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用[J].科技傳播,2017,8:183.

[3]吳闖,周正鋆,張慶軒.三維激光掃描技術(shù)在測繪中的進展及應(yīng)用[J].科技信息,2014,5:120.

[4]齊坤.淺談三維激光掃描技術(shù)在礦山測繪中的應(yīng)用[J].世界有色金屬,2016,(13):0181-2.