工程测绘中关于三维激光扫描技术的运用

2020-03-27黄国龙

中国金属通报 2020年20期

黄国龙

（江西有色地质勘查一队，江西鹰潭 335000）

为更好的建设现代化社会，满足社会发展需要，各种现代化工程的建设是必不可少的，如水利工程、发电工程、交通运输工程等等。在各种工程建设中，测绘是其中一个重要环节，其作用获得反映地面现状的图形和位置信息，以供工程建设、规划设计和行政管理之用。是工程项目顺利进行的基础和前提。随着科学技术的发展，工程测绘技术也有了很多种类，如全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、地理信息系统、激光扫描技术。其中，激光扫描技术是现代工程测绘中最常用的技术，与其它技术测绘技术相比，该技术具有测量范围广、效率高、精度高、环境适应性强等优点。

关于三维激光扫描技术在很多方面都得到了广泛应用，如，张维强将三维激光扫描技术应用到了古建筑的测绘中，为古建筑修复工作提供了极大的便利；房延伟将三维激光扫描技术应用到了地籍测绘中，给土地调查工作提供了极大的帮助。刘宝乐将三维激光扫描仪技术运用到隧道工程中，给隧道工程的开挖和修建工作提供了可靠的依据[1]。本文在前人研究的基础上，将三维激光扫描技术应用到工程测绘中，运用过程包括点云信息采集、点云数据预处理、点云配准和三维模型建立。最后经过实例测试，证明了三维激光扫描技术在工程测绘中的应用效果。通过本研究以期为工程测绘工作提供参考和借鉴。

1 三维激光扫描技术在工程测绘工作中的运用

工程测绘工作的任务是为工程建设提供所在范围内的地面现状的图形和位置信息，是工程方案设计和施工的前提和基础。三维激光扫描技是现代测绘中常用的一种技术，其原理是通过想目标范围内的目标物体发射高频激光脉冲，当激光脉冲达到目标物体表面后，激光会被原路反射回来，然后采集这些反射回来的激光点，最后结合激光测距的原理，就可以计算出激光点在目标物体上海量三维坐标数据，即点云数据。

激光测距原理如下图1 所示。

图1 扫描点的坐标计算原理

其中，点P 代表目标点，S 代表扫描仪距离、α 代表角方位，β 代表高度角。

点P 的空间三维坐标计算公式如下：

1.1 点云数据采集

点云数据采集是三维激光扫描技术应用的首要环节。该环节主要利用三维激光扫描仪来完成。三维激光扫描仪主要由激光扫描仪、数码相机、电源、GPS 定位装置、配套附属设备以及后处理软件组成，其工作原理如下图2 所示。

图2 三维激光扫描仪采集原理

1.2 点云数据预处理

在维激光扫描仪采集点云数据后，还需要进行预处理，才能为后续三维建模所用。点云数据预处理包括点云数据去噪、点云数据压缩和点云数据封装等三部分[2]。

（1）点云数据去噪：原始点云数据在采集的过程中，受到采集设备本身以及环境因素的影响，其中包含了大量的无用数据，这些无用数据因为含有大量误差，因此也被成为噪声点。噪声数据的存在会降低三维坐标的计算精度，同时也会增加计算量，因此需要去噪处理。在这里可以采用拉普拉斯滤波法、双边滤波法、中值滤波法、均值滤波法等进行去噪处理。

（2）点云数据压缩：三维激光扫描技术与其它测绘技术相比，精度更高。而这一优点的实现主要依赖大量的点云数据。大量的点云数据虽然能够更为全面、准确的描绘目标物体，但是与此同时，大量的点云数据也增加了后续的处理时间，个系统带来了巨大压力，因此在不影响测绘的目的下，需要进行压缩处理。压缩处理方法主要包括统一采样法、曲率采样法、等间距采样法、随机抽样法等几种。

（3）点云数据封装。将处理好的点云数据进行网格化处理，即按就近原则连接相邻数据点，创建多边形几何模型。

1.3 点云数据配准

点云数据一般来自不同的测站，每一测站负责一部分点云数据的获取，因此采集的点云数据并不是完整的，需要将每一测站的点云数据映射到统一坐标系统当中，构成一个大的目标区域的完成点云数据。以上过程就被成为点云数据的配准。目前点云数据配准方法主要有三种种，即基于标靶的配准方法、基于特征点的配准方法和基于ICP 算法拼接方法。具体如下表1 所示。

表1 点云数据配准方法对比表

1.4 三维模型构建

三维模型构建是三维激光扫描技术的最后一个环节，即利用上述处理好的点云数据，进行三维模型构建。在这里需要借助一种强大的后处理软件——Cyclone8.03 软件进行建模，建模流程主要包括两项任务，即粗建模和纹理映射。前者过程是将处理的好的点云数据按照最近原理来构造的三角网格面，使得整个轮廓不但接近目标原型，然后再通过曲面拟合的方法，经过反复的修补、光滑，完成对三维模型的构建。后者为了使生成的三维模型看起来更具有逼真的效果，需要对模型进行纹理映射。这里需要利用事先采集目标物体的表面图像，获得其纹理图像，然后将得到的纹理图像与建立的三维模型进行重合和叠加，使得三维图像接近更加立体和形象。