地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

霍文强

【摘 要】三维激光扫描技术，又称为实景复制技术，起源于20世纪末期的新兴技术，其通过迅速激光扫描测量的方式，大范围高分辨率的及时获得被测目标表面的三维坐标数据，为科学构建物体的三维影像模型提供了新的技术手段。

【关键词】地面三维激光扫描技术；工程测量

中图分类号： P225.2；TB22 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0228-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.101

Application of terrestrial 3D laser scanning technology in engineering survey

HUO Wen-qiang

（The Inner Mongolia Autonomous Region Institute of Surveying and Mapping， Hohhot， Inner Mongolia 010050， China）

【Abstract】Three-dimensional laser scanning technology， also known as real-time replication technology， originated in the late 20th century， a new technology， through rapid laser scanning measurement， large-scale， high-resolution and timely access to the measured target surface of the three-dimensional coordinate data， for the scientific construction of three-dimensional image model of the object provides a new technical means.

【Key words】Terrestrial 3D laser scanning technology； Engineering survey

近年来，随着我国社会经济的迅速发展，我国建筑工程项目数量日益增加，而工程测量是保证建筑工程项目正常进行的前提。传统的工程测量必须要花费很多时间、人力和物力，并且不能确保测量精准度。地面三维激光扫描技术具有高效率、高精准度等优点，将其在工程测量中应用，能够明显提升工程测量精准度。

1 三维激光扫描技术的简单介绍

三维激光扫描技术，是信息时代的新兴技术之一，最早不是我国研究开发的，而是由国外研究进行开发的。其主要仪器设备是三维激光扫描仪，结合激光测距的基本原理，采用伺服马达设备及扫描进，按照既定目标要求对有关的行业进行扫描和定位，进而根据流程获得纹理信息及三维坐标，最终充分体现出三维场景。

三维激光扫描技术是一项全面系统的流程，通过进行正确的计算、定位及测量，再将所获取信息及时上传，进而完成扫描定位全过程。[1]结合不同的扫描空间，可以将其划分成两种，分别是空中激光扫描技术及地面激光扫描技术，在国外许多国家三维激光扫描技术受到普遍应用，具体应用于军事领域、医学领域、交通领域、汽车领域、航天航空领域以及船舶领域等等。而国内三维激光扫描技术主要应用于工程建设领域以及考古领域等等。此外，因为空中激光扫描技术均有相对固定的领域和应用屠刀，所以本文重点探究地面扫描激光技术，其整个操作流程并不复杂，主要是采用水平及垂直的全自动高精度完成扫描，从而结合测算公式与具体原理来绘制出准确的三维坐标，进而实现与事实情况相符合的虚拟三维模拟场景。

2 地面三维激光扫描的具体分类及基本原理

通常，根据测量方法来划分，可以将地面三维激光扫描技术分成两种，分别是移动式及固定式激光扫描系统。[2]其中，固定式激光扫描系统，与传统测量中的全站仪是十分相似的，由内置数码相机、控制系统及激光扫描仪等多个部分组成。但是相对于全站仪来说，固定式激光扫描仪收集的是整个系列的“点云”数据信息，而不是分散的单点三维坐标，其主要特征是扫描面积大、速度较快、精准度较高以及具备良好的野外操作性。而移动式激光扫描系统，是以车载平台为基础，由惯性导航系统、全球定位系统与固定式三维激光扫描系统相结合而组成的。

三维激光扫描技术的基本原理是激光测距，事实上三维激光扫描的工作过程就是反复性的数据处理及采集过程。从获得扫描反射接受的激光强度，有效匹配扫描点的颜色灰度。对于扫描激光来说，系统局部坐标是采样点，而坐标原点是扫描仪的内部，通常X轴、Y轴都位于局部坐标系的水平面中，Y轴表示扫描仪垂直方向，Z轴表示垂向方向。由此可见，能够得出扫描目标点P的坐标XS、YS、ZS的计算方法。

3 地面三維激光扫描数据采集和数据处理流程

三维激光扫描数据采集和数据处理流程在工程测量中主要两大部分，一是外业数据采集，二是内业数据处理。前者，包括数据扫描及控制测量工作，控制测量主要包括高程控制测量及平面控制测量，而数据扫描主要包括标靶三维坐标测量及三维激光扫描。后者，包括虚拟测量、扫描数据拼接以及数据抽隙等多个步骤。

因为扫描对象受限于客观环境，通常项目必须要经过三四个站的扫描，才能够覆盖整个研究对象，有些项目甚至需要几百个站。这样就会引发一个新的问题出现，怎样将十几个站以及几百个站的扫描点拼接成一个整体。每个设备的生产厂家都会提供用于拼接的工具，也就是标靶。若每个站扫描的标靶不超过三个，可以运用全站仪或者其他的方式来获取标靶的空间部位，这样就能够将两个站的扫描点云拼接在一起，这就是所谓的数据拼接，通过此种方式，可以在同一个平面坐标系中放进扫描项目的所有点云。在工程测量中，要想获取标靶的三维坐标，可以采用全站仪。因此，外业数据采集主要包括高程控制测量及平面控制测量，其精准度要求与等级只需要符合有关规范要求。并且在外业数据采集中数据扫描是关键环节，主要包括标靶三维坐标测量与三维激光扫描。三维激光扫描应该结合工程实际情况及仪器指标，确定标靶位置、扫描间距以及扫描距离，在扫描的点云数据中应该可以将标靶的中心位置分辨出来，但是要注意遮挡问题。对于工程测量，可以采用传统的方法来获得标靶平面坐标，也才可以采取三角高程测量方式来获取标靶高度。

一般在特定的条件下，可以按照标靶的三维坐标，将多个站的扫描数据拼接到仪器，并且放在同一个坐标中，这就是人们常说的数据拼接。经过数据拼接的过程，能够得到很多三维坐标。因为采取的点云数据量是非常大的，很多时候将被称之为海量数据，所以数据只可以由特定的软件进行处理。有些技术人员常用的测绘软件是无法高效处理点云数据信息的。因此，在将点云数据导入前，数据抽析工作是非常重要的。若抽析是有规律的，可以运用相关的软件来完成。若抽析是没有规律的，还需要人工进行认真的挑选。

4 地面三维激光扫描技术在工程測量中的具体应用

现如今，地面三维激光扫描技术在工程测量中应用是非常普遍的，建筑领域高度重视地面三维激光扫描技术的应用，而且从应用中已经了解到这种扫描技术的优点。当前，地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用，具体包括测算土方量、建立三维模型以及测量竣工等等。同时，地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用，必须要严格依照相关的流程进行，其一，在扫描初期完成储备。其二，在扫描中全方位采集点云数据。其三，配准核对点云信息、其四，分析处理点云信息。

4.1 在地形图测绘行业中应用

此种技术主要是为了可以有效解决传统测量方法不能进行测量的问题，例如：在断臂位置等等，可以采取非接触性方式来运用激光扫描技术，对被测目标的实际地质地形进行测量等等，在地形图测绘中，对点云数据进行分析处理的时候，应该根据附近的地质地形及各自外界因素，完成数据的全面处理及测量，不可以仅仅对一个测量目标进行数据信息收集，否则这样容易导致地形图是不系统和不完整的，也难以对工程施工开展提供系统及正确的数据支撑及测量信息。但是需要注意的是在绘制及提取地物中，必须要完成所有信息的体，合理利用三维激光扫描技术的良好软件性能，选择点云数据房屋的实际地点及角度，从而根据技术规范及软件编程来绘制，根据公式来计算，进而确定最终的比例，确保整个绘制过程能够顺利完成。并且对等高线进行计算的时候，要及时排除地质地形的点云数据，进而采用自动绘制与人工绘制进行有机结合的方法，具体能够采用平均面迭代法来排除无关紧要的数据信息，而且在此前提现计算数据，这是一个不断重复的过程，只有进行很多次的数据排除及测算，才可以确保所获得的地质地形数据信息是正确的。此外，在成图编辑和制作环节中，这就需要结合前两步对地形图与等高线两者之间的关系做出全面分析，并且采用叠加的方式来计算全部新型。将计算所得的点云数据新型及实际收集的照片进行对照，进而完成人工调整、校正及核查。总的来说，在地形测绘中应用地面三维激光扫描技术，能够时测绘准确度得到大幅度提高，更快的获取地貌的具体特点。

4.2 在土方量计算中的应用

地面三维激光扫描激光技术的重点流程是：首先，完成图点云数据信息的处理，以设计出合格的基准面，再剔除地物，并且结合相关的计算公式，将土方量计算出来。在该过程中务必要注意的是与实际工程进行融合，实时监控和准确计算每个控制点，进而提升正确性。例如：在某一个工程中，必须要结合道路纵横断的数据信息，计算出土方量，此时在根据步骤进行操作，第一个步骤是采集数据信息，主要包括三方面的数据信息，主要包括设计道路的边坡、纵横断以及道路红线等等。第二个步骤是建立模型，在采集完数据信息后，按照有关技术来建立曲面模型。第三个步骤是采用外业扫描数据信息来构建实际的地面模型，而且完成坐标转化。最后，根据比例将地面模型与曲面模型进行增减计算，进而快速计算出实际的土方量。

4.3 在建立三维模型中的应用

地面三维激光扫描技术在建立三维模型中的应用，主要有两大部分，一是纹理映射，二是模型建立。模型建立是结合点云数据信息来建立的，重点运用3Dsmax形式来构建模型的，保证其标准化。纹理映射主要是采用数码相机，并且安装到扫描仪上，进而搜集大量的纹理信息，科学的建立建筑工程模型。

5 结语

总而言之，地面三维激光扫描技术是当前工程测量中广泛应用的技术之一，实现了传统测量技术的创新，能够进行非接触式测量，更好地适用于复杂地质的高精准度测量。并且在其他很多行业中地面三维激光扫描技术也得到应用，但在实际应用依旧存在一些问题，对于大多数中小型企业而言，都没有能力承担昂贵的价格，这样就会影响该项技术的普及。因此，地面三维激光扫描技术还要进一步研究，让地面三维激光扫描机技术能够实现创新发展，让其在各个行业中都可以发挥出本身的价值。

【参考文献】

[1]冯耀能.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].工程建设与设计，2018（16）：40-41.

[2]刘小阳，高彦笑.地面三维激光扫描技术在土方测量中的应用[J].科技创新与应用，2018（14）：163-164.