三维激光扫描技术在工程测量中的应用研究

马 长 清

(湖南高速铁路职业技术学院,湖南 衡阳 421002)

随着社会经济的快速发展，人们对建筑工程的要求也越来越多样化，各种各样的仿生外形也赋予了建筑物新的活力，与此同时复杂与特殊的建筑施工工艺对施工数据的要求也越来越高，传统的测量设备与测量方法也无法满足，这也促进了新的测量技术与测量方法的诞生。三维激光扫描技术就是一种新型的技术，被人们称为“实景复制技术”，通过对多种辅助设备与技术的应用，能够低成本高效率的获取更高质量的海量数据，更精细的体现建筑物的特征信息，为工程施工的顺利进行提供有力的科学支持。

1 三维激光扫描测绘技术原理与特点

三维激光扫描仪是一种通过综合多种先进辅助技术的扫描测量系统，主要由计算机、高分辨率相机、线结构激光光源、可控制旋转滤光镜、控制电路板等组成。主要核心技术:

1)空间点阵扫描技术：

控制多面反射棱镜的转动，使得激光光束沿X,Y两个方向进行快速扫描，实现高精度的小角度扫描间隔、大范围扫描幅度及高帧频成像。

2)激光无反射棱镜长距离快速测距技术：

仪器向目标射出光束，计算激光飞行时间计算仪器到目标点的距离。

三维激光扫描技术实际应用具有一定的优势，除了测量精准度比较高之外，还具有其他的特点：

1)通过激光发射进行扫描测量，能够有效节省测量时间。同时在测量中可以减少对测量区域的污染与破坏。

2)该技术综合利用多种设备与技术，可以短时间内获取海量的测量数据，保证量测的精度。

3)该技术利用自发光束进行测量操作，不受光线条件影响。

4)该技术自动化程度高，设备体积小，对操作人数要求小，测量成本投入少。

2 工程概况

本次涉及的工程为购物艺术综合中心，位于市中心主干路与河流交叉口南岸，工程建筑面积约34万m2，该建筑综合体项目包括艺术展览馆、购物商场、星级酒店、写字楼及公寓等多项功能于一体，建成后将成为该城市最大的单体建筑。整个建筑整体向外倾斜，外形现代时尚，由多个结构错落叠置在一起，每个结构的线条又变化多端。这些对于传统的测量方式都是极大的挑战。

3 三维激光扫描技术在工程建模中的应用

3.1 外业数据采集

1)扫描方案设计。

扫描方案要注意的几点：

a.站点布设。要保证测站之间不能有障碍物，相邻测站之间的扫描重叠度大于1/4，保障扫描数据的完整性。

b.分辨率设置。目标要进行多位置扫描测量，每次测量前要根据与目标物的距离调整扫描仪的分辨率，使扫描效果达到最佳。

c.标靶布设。相邻测站重叠区域布设的标靶个数要大于3，均匀分布在测量场区。该项目最终确定布设要28个测站，四周21个，顶部7个。

2)控制测量。

为保障对该建筑物的扫描数据形成整体控制，测量方案中计划将在扫描项目周围均匀的布设8个控制点。在控制点布设过程中将会利用RTK技术布设综合利用城市测量综合服务系统以及城市似大地水准面，误差可以控制在2 cm以内。

3)数据采集。

按照作业计划对建筑进行测量扫描，并利用集成相机对场景进行拍摄，最后要对公共标靶和控制点进行扫描，以便后期点云配准。

3.2 内业数据处理

1)点云去噪处理。

将采集的数据传输到计算机中，利用专业软件对数据进行去噪，因不同实体反射而产生的噪声点可利用滤波方法处理；由于障碍物与光束穿透形成的噪声点，可在通过Leica Cyclone软件中的人工交互的方式进行噪声点批量去除。

2)测量结果对比分析。

选取点云模型上10条特征边长与全站仪观测数据进行对比发现相对差小于1‰，见表1，符合《城市测量规范》中1∶500DLG测量控制要求。

表1 扫描仪与全站仪边长测量数据对比

4 实体建模

本次工程的实体建模将根据建筑不同的位置采用不同的方法，针对结构相对简单的建筑主体将采用几何模型重建方法，而对有着不规则艺术造型的建筑表面以及异形屋顶将采用模型重建方法。

1)几何模型重建。利用Leica Cyclone软件，综合运用特征点拟合法、切片法、投影法，提取括建筑物的边界、轮廓、屋脊等特征线进行几何模型的重建。

2)表面模型重建。首先将数据输入到Leica Cyclone软件中构建无数个不规则的三角网，用来模拟建筑表面的具体形态特征，然后在保证精度基础上精简三角网数量，最后要根据建筑表面特征数据对三角网进行补充，最终形成比较完整的三角网模型。

3)模型优化。利用3dsMax软件对模型进行优化，使模型更具有美感，更加逼真。

5 结语

在越来越复杂的施工建设中的测量技术要求也愈来愈高，三维激光测量技术的出现，可以使得工程建设的测量工作高效率、高质量、低成本的获取海量精准数据，为项目的顺利建设保驾护航。数字化测绘技术已成为未来测绘技术的发展方向，在现代化工程建设中应结合项目特点，不断推进三维激光测绘技术的进步。