三维激光扫描技术在测量中的运用

周博

摘要：在科技不断发展的基础上，在GPS定位技术之后又推出了三维激光扫描技术，随着三维激光扫描技术在各类测量工作中的广泛应用，其自身的扫描速度、测量准确度和信息处理能力等方面的优势也逐渐显现，对于一些对精确度和测量效率要求较高的测量工作来说，可以为其提供良好的技术支持。三维激光扫描技术在实际应用的过程中，可以有效降低测量成本，提升测量效率，同时，较于原有的测量技术来说，可以充分发挥自身的数据获取和信息处理优势，保证测量数据的实效性。文中就针对三维激光扫描技术在测量工作中的应用展开分析。

关键词：三维激光扫描；测量工作；运用

三维激光扫描技术与以往测量技术之间的差异主要表现在测量方法上，以往的测量技术在测量的过程中需要首先确定基点，通过基点来获取相应的数据信息，得出最终的测量数据，是通过对点进行运算来获取最终的测量值。而三维激光扫描技术则是通过面的方式来获取数据值，相对来说，获取的数据信息更加全面。三维激光扫描技术与以往的技术相比在运行方式和运行速度上具有较大的优势，且获取的测量数据精确度较高，得到的相应数据无法再次运算处理，可以直接作为最终测量数据输出。

一、三维激光扫描技术工作原理

1、三维激光扫描系统组成

三维激光扫描技术的系统组成决定了其属于汇聚多种高科技产物的新型影像测量系统。其中主要的构成组件包括激光扫描仪、计算机、供电系统等，其中的激光扫描仪器所发挥的作用有对距离的测量、对图像的扫描以及利用数字化技术实现对相应图像的重建。除此之外，为了保证最终测量数据的准确性还在系统内设立了校正系统，在这一系统的设备运行下，可以实现对相应测量结果的快速输出。

2、三维坐标测量原理

三维激光扫描技术在实际运行的过程中，主要是利用发射脉冲信号的方式来获取最终的数据值，采用发射器向被测对象发射出脉冲信号之后，当脉冲信号接触到物体之后便会发生一定的编号，测量系统可以通过分析脉冲信号的变化值来得出被测信号的相关距离信息。脉冲信号在各个被测对象之间运行一个周期之后，会再次返回到三维激光扫描测量系统中的接收器中，此时，便可以利用设备仪器对相应的坐标系统进行构建。

二、外业数据采集

1、现场踏勘

在测量的过程中，为了实现对三维数据的准确构建，在实际测量之前，需要先对待测现场的环境和相关基础信息进行全面获取，全面了解待测区域的详细情况，最终制定出科学有效的扫描路线和测试点，进而实现对相应数据的准确测量，保证最终测量结果的准确性。

2、标靶点布设

为了保证每个测站能看到四个标靶点，标靶点要布设均匀，保持标靶点和控制点之间的通视，在扫描过程中不要改变标靶点的位置。

3、点云和影像数据采集

在已知测站上架设仪器，输入站点坐标，后视定向，设置扫描密度参数，选取好拍摄的时间，通过彩色摄像机实时选择测量区域，开始自动扫描作业、记录和保存点云和影像信息。还可以通过设置分辨率来调节扫描点的个数，以控制扫描的时间效率。操作过程中，应注意尽量与待测物体保持平视和保持统一焦距。

三、点云数据处理

1、点云预处理

因为在扫描过程中外界环境因素对扫描目标的遮挡等影响，如周围的花草树木、车流、人群等及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云进行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点H。实际操作中需要选择合适的过滤方法来配合这一过程自动完成。

2、点云数据配淮

数据配准是把不同视点的数据统一到一个坐标系下面，使之成为一个整体。地面三维激光数据配准方法大致分为两种，一种是基于特征的数据配准，另一种是迭代数据配准。为了更好的提高配准的精度，较好、方便可靠的方法就是利用控制点配准的方法。在天宝激光扫描配套数据处理软件中提供了基于点云和基于目标的配准方式。采用三点到三点的配准方法，在扫描区域中设置至少三个控制点以便相邻的扫描点云数据统一到同一坐标系中。

3、点云拼接

将采集的数据导入至配套软件时根据坐标点自動拼接，但由于存在人为操作和仪器架设误差，一些点云接合处不太合适，这需要进行手动处理。立体模型建立以后，可对物体上的任意部位进行量测，给出特征数据，包括平面、线性距离、角度、半径、体积和断面。并且能够将几何图形转换到CAD中进行后续处理。

四、三维激光扫描技术的应用现状

1、城市三维模型的建立测量

在街道上对建筑物的内外部进行三维激光扫描，扫描的点云数据经过数据处理，建立高精度的数字地面模型；地物数据经提取和目标识别处理，可实现城市三维模型的建立；也适用于GIS数据库更新、虚拟现实制作等。

2、带状地形图测量和矿山测量

以往主要用地面摄影测量、全站仪为主来完成。现在同样可以用扫描仪来快速高效地完成。即分段扫描野外的局部带状地形区域，在具有一定重复扫描区域内，拼接、合并三维测量数据，生成带状影像图，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图，高效用于线路两旁（铁路、公路、河流两岸等）的局部不规则带状地形图测量。同样可以用于矿山的地形、体积、塌陷规模等测量工作。

3、建筑与文物保护测量

过去是以摄影测量为主，但现在更愿意用激光扫描仪来完成。测量任何的建筑物和场景，获得高精度保真模型。这样做成的电子文献，易于保存，能详细了解表面，随时方便地得到等值线、断面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。

4、复杂工业设备的测量

很多工厂内管线林立，纵横交错，形状各异，用摄影测量方法难以找到同名点，效率低下，其他传统的方法更是低效麻烦。而利用激光扫描仪进行分段扫描，获得在各站上复杂工业设备的三维点云数据，通过数据处理，应用相应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考，极大提高了工作效率。

结语：

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，是一项新的三维空间信息采集的技术手段，正被越来越多地应用于各个领域。地面三维激光扫描仪可以快速、精确和高效地测量目标的三维影像数据，随着三维激光扫描技术的不断发展，使得测绘技术人员可以突破传统测量和数据处理方法，进行新的数据挖掘和开发研究，将在测量工作中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]张靖，张爱能，刘国栋.三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用[J].西安科技大学学报，2014，34（2）：199-203；

[2]胡琦佳.三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用研究[D].西南交通大学，2013.