三維激光掃描技術(shù)原理及行業(yè)應(yīng)用探討

楊知景 王紅艷 鄭伶杰 喬周民

（1.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州450003；2.鄭州智象測(cè)繪信息技術(shù)有限公司，河南 鄭州450003；3.浚縣土地勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃事務(wù)所，河南 鶴壁 456250）

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)用非接觸式高速激光測(cè)量方法，獲取目標(biāo)物體的幾何數(shù)據(jù)及影音資料，利用后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，轉(zhuǎn)換成具有坐標(biāo)系的三維空間坐標(biāo)及模型，同時(shí)確保能夠用多種數(shù)據(jù)格式輸出，以滿足空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源的不同應(yīng)用需求。

1.1 系統(tǒng)組成

三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備組成。

1.2 工作原理

三維激光掃描技術(shù)利用激光脈沖發(fā)射器，向目標(biāo)物體發(fā)射一束激光脈沖，然后通過(guò)反光鏡旋轉(zhuǎn)，信號(hào)接收器接收反射回來(lái)的激光脈沖，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，包括每束激光脈沖從發(fā)射到被測(cè)物表面，再返回設(shè)備所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，以此獲取目標(biāo)到掃描中心的距離。掃描控制模塊對(duì)每束激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β進(jìn)行控制，最后經(jīng)后處理軟件自動(dòng)解算，得出目標(biāo)的相對(duì)三維坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，在絕對(duì)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為三維空間位置坐標(biāo)或者模型[1]。分階段流程如圖1所示。

圖1 分階段流程圖

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)有：

（1）非接觸式： 三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的高速激光測(cè)量手段，無(wú)需布置反射棱鏡，直接掃描目標(biāo)即可，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)目標(biāo)、不可達(dá)目標(biāo)的測(cè)量[2]。

（2）數(shù)字化程度較高：三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)均為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，具有較高的數(shù)字化程度，處理起來(lái)較為簡(jiǎn)便，可用于數(shù)據(jù)分析、輸出及顯示。

（3）可擴(kuò)展性：三維激光掃描技術(shù)具有較好的可擴(kuò)展性，后處理軟件人機(jī)友好的用戶界面，能和其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，拓寬了應(yīng)用范圍。

（4）高分辨率：三維激光掃描技術(shù)，能快捷采集高質(zhì)量、高密度的數(shù)據(jù)，這是高分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)[3]。

1.4 三維激光掃描流程

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集：通過(guò)機(jī)載激光掃描儀或地面激光掃描儀，獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)際物體真實(shí)尺寸的復(fù)原，包含了對(duì)象物體的空間尺寸信息和反射率信息，結(jié)合高分辨率的外置數(shù)碼相機(jī)，可以逼真地保留對(duì)象物體的紋理色彩信息。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)：三維激光掃描儀每次掃描只能得到測(cè)區(qū)的局部數(shù)據(jù)，為得到完整的三維數(shù)據(jù)，需要從不同位置進(jìn)行多次掃描，每次掃描得到的數(shù)據(jù)都處在以當(dāng)前測(cè)站為原點(diǎn)定義的一個(gè)局部坐標(biāo)系中。因此，需要在掃描區(qū)域設(shè)置一些控制標(biāo)靶，使得相鄰的掃描點(diǎn)云圖有3個(gè)或3個(gè)以上的同名控制標(biāo)靶，通過(guò)同名控制標(biāo)靶將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下[4]。

（3）數(shù)據(jù)獲取：三維激光掃描技術(shù)是對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)空間信息的掃描，在使用數(shù)據(jù)前需要剔除多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 三維激光掃描技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用

2.1 鐵路工程

三維激光掃描儀可完成全景測(cè)量，對(duì)于鐵路站場(chǎng)或某特定路段，可以一次完成線路設(shè)施、相關(guān)建筑物及周邊場(chǎng)景的實(shí)際尺寸三維空間信息的搜集。具體應(yīng)用數(shù)據(jù)效果如圖2所示。

圖2 鐵路工程應(yīng)用中的三維激光掃描數(shù)據(jù)

2.2 橋梁改建

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的加速，一些橋梁的運(yùn)載能力已經(jīng)超出極限，需要擴(kuò)建或者改造加固，這就需要獲取橋梁現(xiàn)狀的掃描數(shù)據(jù)，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維橋梁模型，在真三維環(huán)境中設(shè)計(jì)橋梁的改造方案，或直接基于點(diǎn)云快速繪制橋梁的二維結(jié)構(gòu)圖。

2.3 礦區(qū)作業(yè)

在礦區(qū)作業(yè)時(shí)，三維激光掃描儀可用于測(cè)量空間尺寸，與大地坐標(biāo)系相連，制作平面圖、截面圖、三維空間圖，進(jìn)行體積計(jì)算及模型對(duì)比等。

2.4 建筑結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

通過(guò)研究三維激光掃描技術(shù)的工藝流程和變形監(jiān)測(cè)，探索其在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，將掃描得到的建筑物前后兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，用一組等間距的橫向或縱向截面截取兩個(gè)掃描面，得到相同位置處兩個(gè)掃描面之間點(diǎn)云的位移，即可將其視為兩個(gè)時(shí)期的變形量。根據(jù)需求控制截面的間距，可得到密度不同的結(jié)果。建筑物前后兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 建筑物前后兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2.5 變形、沉降監(jiān)測(cè)

地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)程，是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程。變形監(jiān)測(cè)的精度要求高，三維激光掃描滿足了變形監(jiān)測(cè)的精度要求。利用三維激光掃描的單點(diǎn)定位精度一般可達(dá)毫米級(jí)，其模型精度還要遠(yuǎn)高于此，可滿足高層建筑的沉降觀測(cè)、山體滑坡變形監(jiān)測(cè)及局部區(qū)域的地表沉降觀測(cè)的精度要求[5]。

三維激光掃描技術(shù)以非接觸方式采集數(shù)據(jù)，具有較高的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集效率，可獲得海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量技術(shù)從點(diǎn)到面的飛躍，避免以往基于變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果的局部性和片面性。

2.6 城市規(guī)劃

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取目標(biāo)對(duì)象的高密度、有精確三維坐標(biāo)的三維激光數(shù)據(jù)，也稱為點(diǎn)云。在精確的三維數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行分析比依靠二維地圖信息要高效得多，因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃工作中。

城市規(guī)劃以地形圖為底圖，但傳統(tǒng)測(cè)繪調(diào)查耗時(shí)費(fèi)力，更新周期慢，地形圖經(jīng)常與實(shí)際情況不符，而且其精度不夠、信息量有限。三維激光掃描技術(shù)能夠?yàn)橐?guī)劃工作者提供高精度的地形三維掃描數(shù)據(jù)及建筑物、立交橋、電力線等城市三維信息。三維掃描數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可生成高精度數(shù)字地面模型、等高線圖及正射影像圖，然后通過(guò)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的物體模型與影像配準(zhǔn)，得到高精度的三維模型。三維激光掃描技術(shù)能解決城市規(guī)劃用地的各項(xiàng)控制標(biāo)高問(wèn)題，讓建筑、道路、排水的標(biāo)高相互協(xié)調(diào)；為道路網(wǎng)的規(guī)劃提供精確的三維模型，使城市道路的坡度設(shè)計(jì)既配合地形又滿足交通要求[6]。

3 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高速度、高分辨率、非接觸式以及優(yōu)良的兼容性等特點(diǎn)，在大型工程、變形監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的工作原理及其應(yīng)用進(jìn)行分析和探討，對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)意義。