工程測量與三維測繪技術(shù)發(fā)展探析

王 欣

（廈門天海圖匯信息科技有限公司，福建 廈門 361000）

三維激光測繪建模系統(tǒng)又可以稱之為三維激光點云測量建模系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)的單點測量建模系統(tǒng)不同，三維激光點云測量建模系統(tǒng)采用立體面掃描的測量方式，能夠得到被測物體表面大量具有高精度的三維數(shù)據(jù)點，能夠滿足對精度要求高的工程。運用三維激光點云測量建模系統(tǒng)可以深入到復雜的施工現(xiàn)場進行建模工作，且能夠及時準確的將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C平臺上，從而在計算機系統(tǒng)上構(gòu)建出被測物體的三維立體模型。同時因為三維激光掃描點云測量建模系統(tǒng)配置了像素較高的攝像機，使得通過該掃描建模系統(tǒng)采集到的點云數(shù)據(jù)不僅包含了被測物體的空間信息，還記錄了被測物體的反射強度信息。通過計算機平臺將采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行處理，能夠很好的實現(xiàn)測量、建模、分析等功能。

1 工程測量的基本概念

工程測量指的是在一個項目施工前期需要對整個工程項目進行基礎(chǔ)勘察，且在工程施工建造期間的各個環(huán)節(jié)對與自身全部的工程質(zhì)量的數(shù)據(jù)進行專業(yè)的勘測，并將所勘測全部數(shù)據(jù)進行分析為接下來的建造環(huán)節(jié)提供參考。近幾十年來因為科學技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機技術(shù)，工程測量技術(shù)，電子電工技術(shù)，飛速發(fā)展，早已融入到我們生活中的方方面面，因此當下的社會早已變?yōu)榱诵畔⒒瘯r代。因為這些技術(shù)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的工程測量方式已基本被摒棄，采用計算機與新式的三維測繪技術(shù)進行工程測量與評估，較以往很大程度上的提高了工程測量與評估的精準性。自從我國改革開發(fā)以來，就開始大量的從西方發(fā)達國家引進新式的工程測量技術(shù)與工具，發(fā)展至今，已基本實現(xiàn)從單一的測量方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S一體的測量方式，這對我國今后的社會主義發(fā)展建設(shè)有些很重要的意義[1，2]。

2 項目的研究背景及意義

隨著現(xiàn)今建設(shè)工程項目的增多且建設(shè)難度越來越大，傳統(tǒng)的測繪手段已無法滿足現(xiàn)今時代的需求。一種全新的測繪技術(shù)應用而生即三維激光測繪建模系統(tǒng)，且在測繪工程領(lǐng)域中發(fā)揮著非常重要的意義。三維激光測繪建模系統(tǒng)出現(xiàn)在上世紀九十年代，是測繪領(lǐng)域內(nèi)繼GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。該掃描建模系統(tǒng)打破傳統(tǒng)的測量建模方式，對被測物體掃描一次就能夠得到大量的點云數(shù)據(jù)，這種采點效率是傳統(tǒng)測繪技術(shù)無法比擬的。且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維激光點云建模系統(tǒng)已充分的結(jié)合計算機技術(shù)能夠更加快速的完成測量建模任務。

對被測物體進行三維激光掃描能夠快速的得到被測物體的點云數(shù)據(jù)，再通過計算機平臺對獲取的點云數(shù)據(jù)對被測物體進行精準的進行三維模型重構(gòu)，在我們的各個生產(chǎn)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。通過計算機平臺對掃描采集而來的點云數(shù)據(jù)進行預處理是點云數(shù)據(jù)處理和使用的基礎(chǔ)，這個過程會直接影響后期三維建模的精度與效率。點云數(shù)據(jù)因為包含的數(shù)據(jù)量特別多，能夠更加全面的表達被測物體。因為點云數(shù)據(jù)具備的這些特點會給數(shù)據(jù)的運算、處理及儲存帶來了更大的困難。大量的點云數(shù)據(jù)處理需要強大的計算機技術(shù)支撐，且通過計算機平臺處理點云數(shù)據(jù)可能會導致計算機出現(xiàn)死機的情況，一旦這種情況出現(xiàn)將會影響點云數(shù)據(jù)的處理效率進而影響建模效率，所以對采集的點云數(shù)據(jù)進行精簡化就顯得尤為重要。在保證對被測物體模型特征和重構(gòu)不受影響的情況下，盡可能的壓縮點云數(shù)據(jù)量，對三維激光點云融合云計算平臺的創(chuàng)新運用與發(fā)展有著很重要的意義。通過以山西省的礦山的點云數(shù)據(jù)為實驗依據(jù)，進行點云數(shù)據(jù)精簡化處理，保留了點云數(shù)據(jù)原有主體框架不被影響為后期的點云數(shù)據(jù)處理和重構(gòu)提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的加快，人們對于能源的需求與日俱增，然而我國發(fā)展使用的能源大部分在幾百米深的礦山之下，基于此種原因三維激光測繪技術(shù)融合云計算平臺的創(chuàng)新運用也得到了很大的發(fā)展，三維激光測繪技術(shù)對今后的工程建設(shè)有著很重要的意義。三維激光掃描建模技術(shù)突破的傳統(tǒng)的單點測量建模方法，通過高速的激光掃描被測物體，能夠快速精確的測取被測物體表面的三維信息數(shù)據(jù)，三維激光掃描建模技術(shù)具有高精度、高效率和不必接觸等特點，三維激光掃描建模技術(shù)的這些特點使得其擁有廣闊的應用前景，在測繪工程、城市保護、建筑行業(yè)等領(lǐng)域都有很廣泛的應用。

3 三維測繪技術(shù)簡介及工程測量中三維測繪技術(shù)的應用

（1）三維激光測繪技術(shù)簡介。三維激光測繪建模系統(tǒng)主要包括激光測距系統(tǒng)，激光掃描系統(tǒng)，和高清相機系統(tǒng)。激光掃描頭、激光控制器和計算機儲存系統(tǒng)構(gòu)成三維激光掃描系統(tǒng)。在掃描系統(tǒng)內(nèi)部中激光控制器發(fā)射激光脈沖，通過兩個反射鏡快速轉(zhuǎn)動，將激光控制器發(fā)射出的激光脈沖依次掃過被測物體，通過測量物體表面的反射作用反射回來的脈沖所耗費的實踐來計算出距離，同時通過掃描系統(tǒng)中的編碼器測量每個反射會來的脈沖角度，即可以得到被測物體的真實三維坐標。將得到的這些坐標通過計算機平臺處理就可以在電腦顯示器上看到真實的被測物體的點云圖。

（2）三維激光測繪技術(shù)的應用。人類社會進入工業(yè)時代以后，各種科學技術(shù)不斷出現(xiàn)，經(jīng)過幾百年的發(fā)展，傳統(tǒng)的2+1 測繪技術(shù)已相當成熟，但隨著人類生產(chǎn)活動的所需對測繪技術(shù)的要求越來越高，傳統(tǒng)的2+1 測繪技術(shù)就顯得很難滿足我們的需求，基于此種原因三維激光測繪技術(shù)開始出現(xiàn)在我們的視野中。三維激光測繪技術(shù)出現(xiàn)之后能夠很好的解決以下問題：①工程設(shè)計，當下CAD 軟件非常普遍，三維激光測繪技術(shù)開始在CAD軟件中大量使用。②工程施工，由于我國經(jīng)濟發(fā)展飛速，民眾在解決了溫飽問題之后開始對住房的要求越來越高，導致當下建筑物的結(jié)構(gòu)越來越復雜，如果還按照傳統(tǒng)的測繪施工方法則會導致施工建造的效率大打折扣，但隨著三維激光測繪技術(shù)的出現(xiàn)，施工單位通過使用三維激光測繪技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)用來指導建造施工則很好的解決了這種問題。③礦山工程，在傳統(tǒng)的礦山測繪工程中，用到的測繪工具主要有GPS，全站儀及水準儀等設(shè)備，雖然采用這些儀器能夠較為精準的測量到礦山的基本數(shù)據(jù)，但是測量的周期較長且無法整體測繪礦山的全部范圍，雖然現(xiàn)在我國也開始使用無人機進行礦山測繪，但其采集到的數(shù)據(jù)精度也不是很理想，滿足不了繪圖工作。但隨著三維激光測繪技術(shù)的使用，這種問題便很好的被解決。

4 通過計算機技術(shù)對三維激光測繪掃描所得點云數(shù)據(jù)分割提取及精簡化

通過三維激光掃描建模系統(tǒng)獲得的點云數(shù)據(jù)具有重疊性，為了在計算機上構(gòu)建精確的三維模型就要求我們對獲得的點云數(shù)據(jù)進行一個精簡化的分割處理，以次來剔除多余的點云數(shù)據(jù)。通過對點云數(shù)據(jù)進行分割提取與精簡化處理能夠提高點云數(shù)據(jù)后期的處理效率，減少點云數(shù)據(jù)占用的計算機空間，極大程度的提高了點云數(shù)據(jù)的實用性。對獲取的點云數(shù)據(jù)進行分割提取和精簡化處理，能夠為后期在計算機平臺點云數(shù)據(jù)工作和三維模型構(gòu)建提供極大的便利。

（1）點云數(shù)據(jù)的分割處理。點云數(shù)據(jù)的分割處理過程是將獲取的全部的點云數(shù)據(jù)分成若干個部分，因為分割得到的這些部分都有一定的關(guān)聯(lián)，即形成多個相交互補的子集，每個子集相交互補部分的點云數(shù)據(jù)具有相同的信息，即將目標點云數(shù)據(jù)從獲取的全部點云數(shù)據(jù)中分割出來。通過三維激光掃描建模系統(tǒng)采集而來的點云數(shù)據(jù)無法像傳統(tǒng)掃描建模系統(tǒng)那樣進行選取，其會將被測物體所有的數(shù)據(jù)都采集下來，因此采集的到的點云數(shù)據(jù)會有大量的重復數(shù)據(jù)，所以我們需要將重復的數(shù)據(jù)剔除并將目標的點云數(shù)據(jù)分割出來。點云數(shù)據(jù)的分割提取方法主要有手動分割提取，自動分割提取兩種方法，對于礦山這種大型被測物來說通過三維激光掃描建模系統(tǒng)掃描得到的點云數(shù)據(jù)量特別大，且重復數(shù)據(jù)特別多，點云數(shù)據(jù)也十分復雜，所以依靠計算機平臺中自動分割提取的方法不適用礦山的點云數(shù)據(jù)分割。

三維激光點云融合云計算平臺發(fā)展多年，出現(xiàn)了許多能夠?qū)崿F(xiàn)手動分割提取點云數(shù)據(jù)的軟件工具，例如使用Cyclone9.1 點云處理軟件便能夠高效的實現(xiàn)手動提取像地鐵站這種大型建筑的點云數(shù)據(jù)。通過該軟件手動提取的點云數(shù)據(jù)能夠很好的為后期的三維建模提供極大的便利。

（2）點云數(shù)據(jù)提取過程。打開Cyclone9.1 點云處理軟件，對礦山的一個巷道做點云數(shù)據(jù)分割提取實驗。首先輸入選定的坐標參數(shù)，然后開始計算，該軟件便會自動計算出包圍參數(shù)。然后再將獲取的做數(shù)據(jù)導入該軟件，軟件將會自動計算出點云數(shù)據(jù)量并顯示再電腦顯示器上，最后點擊分割提取對點云數(shù)據(jù)進行分割提取。

5 三維激光測繪技術(shù)在礦山測量中的應用分析

（1）前期控制測量。想要大幅度提高測繪技術(shù)精度，三維激光測繪技術(shù)離不開GPS 技術(shù)的支持，且GPS 技術(shù)是精度較高的一項技術(shù)，在控制測量中，礦山控制測量是及其重要的內(nèi)容，必須嚴格的按照從整體到局部的細化原則進行測量，在測量結(jié)束后，后期的測繪過程中，如何根據(jù)測量所的到的數(shù)據(jù)在計算機平臺中構(gòu)造礦山的信息及其重要。由于傳統(tǒng)的礦山測繪手段無法滿足當下測繪工作的需求，所以如何實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)采集尤為重要。

（2）在礦山測量方面的應用。礦山的測量工作是一項非常危險及存在眾多不確定因素的測量工作。在具體的測量過程中很容易受到礦山眾多不確定因素的影響，例如在礦山井下進行測量工作，因為存在著諸多不確定性因素，加之使用傳統(tǒng)的測量技術(shù)，導致測量所得的數(shù)據(jù)存在著很多的誤差?，F(xiàn)今使用的三維激光測繪技術(shù)系統(tǒng)能夠很好的完成礦山中的測繪任務，其憑借著簡單的操作性及測量的精準性推動了我國礦山工程的發(fā)展，例如在山西省大同市同煤集團下屬的煤礦，在進行煤礦井下測繪任務時就采用了三維激光測繪技術(shù)，對井下坑道進行勘察過后利用三維激光掃描獲得了大量精準度極高的數(shù)據(jù)（點云數(shù)據(jù)），然后通過計算機技術(shù)在電腦上進行點云數(shù)據(jù)的處理，完成了建模過程。采用這種測繪方式能夠精確的還原煤礦井下坑道的真實情況。在該煤礦中，由于采用了三維激光測繪對井下坑道進行了測繪，對過對測繪結(jié)果的分析研究及時的發(fā)現(xiàn)了井下坑道存在的安全隱患，成功的預防了安全事故的發(fā)生，有效的提高了井下工作人員的安全等級，有效的提高了開采企業(yè)的經(jīng)濟效益。

6 三維激光測繪今后發(fā)展的趨勢

（1）三維激光測繪量的標準及規(guī)范。雖然三維激光測繪技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展到相對來說實際應用時間還有些短，且現(xiàn)今任然沒有形成一個統(tǒng)一的標準，基于此種原因三維激光測繪市場在缺乏完整的制度規(guī)范顯得十分混亂，各種品牌的三維激光測繪技術(shù)所使用的物理量及符號代碼也不同，使得有些施工單位在進行三維激光測繪時，由于技術(shù)沒有標準，導致沒能對測繪結(jié)果進行準確的分析，因此無端增加了測量工作人員的工作難度。

（2）三維激光測量的理論研究。眾所周知三維激光測繪技術(shù)是在傳統(tǒng)的2+1 測繪技術(shù)上發(fā)展而來，在沒有增加坐標維數(shù)的情況下只是提升了系統(tǒng)內(nèi)部的復雜程度，從而建立了全方位的三維立體空間，且建立了三維激光測繪的理論體系。因此在對三維激光測繪進行理論研究時正是在研究其關(guān)于空間的測量及數(shù)據(jù)采集，輸出等技術(shù)。

7 結(jié)束語

綜上所述，隨著三維激光測繪技術(shù)創(chuàng)不斷地發(fā)展，取得了很大的進步，在點云數(shù)據(jù)的處理與三維構(gòu)建模型方面國內(nèi)外科研人員取得了很多成果。不僅其適用的領(lǐng)域越來越廣泛，在大型建筑工程測量和三維建模中發(fā)揮的作用也越來越大。但是在一些方面還是不夠成熟，所以就需要我們在今后的日子里仍需加大對該技術(shù)的資金投入力度，持續(xù)推動三維激光測繪技術(shù)的發(fā)展進步。