三維激光掃描技術在測量中的運用

周博

摘要：在科技不斷發(fā)展的基礎上，在GPS定位技術之后又推出了三維激光掃描技術，隨著三維激光掃描技術在各類測量工作中的廣泛應用，其自身的掃描速度、測量準確度和信息處理能力等方面的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)，對于一些對精確度和測量效率要求較高的測量工作來說，可以為其提供良好的技術支持。三維激光掃描技術在實際應用的過程中，可以有效降低測量成本，提升測量效率，同時，較于原有的測量技術來說，可以充分發(fā)揮自身的數(shù)據(jù)獲取和信息處理優(yōu)勢，保證測量數(shù)據(jù)的實效性。文中就針對三維激光掃描技術在測量工作中的應用展開分析。

關鍵詞：三維激光掃描；測量工作；運用

三維激光掃描技術與以往測量技術之間的差異主要表現(xiàn)在測量方法上，以往的測量技術在測量的過程中需要首先確定基點，通過基點來獲取相應的數(shù)據(jù)信息，得出最終的測量數(shù)據(jù)，是通過對點進行運算來獲取最終的測量值。而三維激光掃描技術則是通過面的方式來獲取數(shù)據(jù)值，相對來說，獲取的數(shù)據(jù)信息更加全面。三維激光掃描技術與以往的技術相比在運行方式和運行速度上具有較大的優(yōu)勢，且獲取的測量數(shù)據(jù)精確度較高，得到的相應數(shù)據(jù)無法再次運算處理，可以直接作為最終測量數(shù)據(jù)輸出。

一、三維激光掃描技術工作原理

1、三維激光掃描系統(tǒng)組成

三維激光掃描技術的系統(tǒng)組成決定了其屬于匯聚多種高科技產物的新型影像測量系統(tǒng)。其中主要的構成組件包括激光掃描儀、計算機、供電系統(tǒng)等，其中的激光掃描儀器所發(fā)揮的作用有對距離的測量、對圖像的掃描以及利用數(shù)字化技術實現(xiàn)對相應圖像的重建。除此之外，為了保證最終測量數(shù)據(jù)的準確性還在系統(tǒng)內設立了校正系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)的設備運行下，可以實現(xiàn)對相應測量結果的快速輸出。

2、三維坐標測量原理

三維激光掃描技術在實際運行的過程中，主要是利用發(fā)射脈沖信號的方式來獲取最終的數(shù)據(jù)值，采用發(fā)射器向被測對象發(fā)射出脈沖信號之后，當脈沖信號接觸到物體之后便會發(fā)生一定的編號，測量系統(tǒng)可以通過分析脈沖信號的變化值來得出被測信號的相關距離信息。脈沖信號在各個被測對象之間運行一個周期之后，會再次返回到三維激光掃描測量系統(tǒng)中的接收器中，此時，便可以利用設備儀器對相應的坐標系統(tǒng)進行構建。

二、外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1、現(xiàn)場踏勘

在測量的過程中，為了實現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)的準確構建，在實際測量之前，需要先對待測現(xiàn)場的環(huán)境和相關基礎信息進行全面獲取，全面了解待測區(qū)域的詳細情況，最終制定出科學有效的掃描路線和測試點，進而實現(xiàn)對相應數(shù)據(jù)的準確測量，保證最終測量結果的準確性。

2、標靶點布設

為了保證每個測站能看到四個標靶點，標靶點要布設均勻，保持標靶點和控制點之間的通視，在掃描過程中不要改變標靶點的位置。

3、點云和影像數(shù)據(jù)采集

在已知測站上架設儀器，輸入站點坐標，后視定向，設置掃描密度參數(shù)，選取好拍攝的時間，通過彩色攝像機實時選擇測量區(qū)域，開始自動掃描作業(yè)、記錄和保存點云和影像信息。還可以通過設置分辨率來調節(jié)掃描點的個數(shù)，以控制掃描的時間效率。操作過程中，應注意盡量與待測物體保持平視和保持統(tǒng)一焦距。

三、點云數(shù)據(jù)處理

1、點云預處理

因為在掃描過程中外界環(huán)境因素對掃描目標的遮擋等影響，如周圍的花草樹木、車流、人群等及實體本身的反射特性不均勻，需要對點云進行過濾，剔除點云數(shù)據(jù)內含有的不穩(wěn)定點和錯誤點H。實際操作中需要選擇合適的過濾方法來配合這一過程自動完成。

2、點云數(shù)據(jù)配淮

數(shù)據(jù)配準是把不同視點的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系下面，使之成為一個整體。地面三維激光數(shù)據(jù)配準方法大致分為兩種，一種是基于特征的數(shù)據(jù)配準，另一種是迭代數(shù)據(jù)配準。為了更好的提高配準的精度，較好、方便可靠的方法就是利用控制點配準的方法。在天寶激光掃描配套數(shù)據(jù)處理軟件中提供了基于點云和基于目標的配準方式。采用三點到三點的配準方法，在掃描區(qū)域中設置至少三個控制點以便相鄰的掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系中。

3、點云拼接

將采集的數(shù)據(jù)導入至配套軟件時根據(jù)坐標點自動拼接，但由于存在人為操作和儀器架設誤差，一些點云接合處不太合適，這需要進行手動處理。立體模型建立以后，可對物體上的任意部位進行量測，給出特征數(shù)據(jù)，包括平面、線性距離、角度、半徑、體積和斷面。并且能夠將幾何圖形轉換到CAD中進行后續(xù)處理。

四、三維激光掃描技術的應用現(xiàn)狀

1、城市三維模型的建立測量

在街道上對建筑物的內外部進行三維激光掃描，掃描的點云數(shù)據(jù)經過數(shù)據(jù)處理，建立高精度的數(shù)字地面模型；地物數(shù)據(jù)經提取和目標識別處理，可實現(xiàn)城市三維模型的建立；也適用于GIS數(shù)據(jù)庫更新、虛擬現(xiàn)實制作等。

2、帶狀地形圖測量和礦山測量

以往主要用地面攝影測量、全站儀為主來完成?，F(xiàn)在同樣可以用掃描儀來快速高效地完成。即分段掃描野外的局部帶狀地形區(qū)域，在具有一定重復掃描區(qū)域內，拼接、合并三維測量數(shù)據(jù)，生成帶狀影像圖，用地形和地物的三維點云數(shù)據(jù)建立模型，生成帶狀地形圖，高效用于線路兩旁（鐵路、公路、河流兩岸等）的局部不規(guī)則帶狀地形圖測量。同樣可以用于礦山的地形、體積、塌陷規(guī)模等測量工作。

3、建筑與文物保護測量

過去是以攝影測量為主，但現(xiàn)在更愿意用激光掃描儀來完成。測量任何的建筑物和場景，獲得高精度保真模型。這樣做成的電子文獻，易于保存，能詳細了解表面，隨時方便地得到等值線、斷面、剖面等。當建筑和文物遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數(shù)據(jù)。

4、復雜工業(yè)設備的測量

很多工廠內管線林立，縱橫交錯，形狀各異，用攝影測量方法難以找到同名點，效率低下，其他傳統(tǒng)的方法更是低效麻煩。而利用激光掃描儀進行分段掃描，獲得在各站上復雜工業(yè)設備的三維點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，應用相應的軟件就可以生成這些復雜工業(yè)設備的模型，為設備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參考，極大提高了工作效率。

結語：

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，是一項新的三維空間信息采集的技術手段，正被越來越多地應用于各個領域。地面三維激光掃描儀可以快速、精確和高效地測量目標的三維影像數(shù)據(jù)，隨著三維激光掃描技術的不斷發(fā)展，使得測繪技術人員可以突破傳統(tǒng)測量和數(shù)據(jù)處理方法，進行新的數(shù)據(jù)挖掘和開發(fā)研究，將在測量工作中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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