Trimble SX10三维激光扫描仪在土木工程中的应用

郭韩

摘要：三维激光扫描技术在土木工程中有着广泛的应用前景。本文介绍了最新的Trimble SX10地面三维激光扫描仪的主要功能特点并与类似的仪器进行了对比，然后对利用其完成工程项目的主要作业流程进行了分析，为其在工程中的实际应用打下基础。

Abstract： Three-dimensional laser scanning technology has broad application prospects in civil engineering. This article introduces the main functional characteristics of the latest Trimble SX10 3D laser scanner and compares it with similar instruments， and then analyzes the main workflow of using it to complete engineering projects， laying a foundation for its practical application in engineering.

关键词：三维激光扫描;工程测量;作业流程

Key words： 3D laser scanning;engineering surveying;work flow

中图分类号：P225.2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）19-0193-02

1  三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术作为一种新的测量技术能够快速的获取目标的表面特征，并与常规全站仪一样通过以点带面的形式模拟出目标的整体特征。与常规测量中测量点的数量少，特征信息不全面不同，三维激光扫描技术能获得大量的点云数据，非常有利于建模重构。在本世纪初，三维激光扫描技术便在人们的生产生活中得到了广泛的应用。该技术被认为是继GPS测量技术之后测量行业的又一项重要的技术革新。其能够实现效率高、自动化的获取目标大量点云数据，成为了获取目标表面数据，重建目标三维模型的重要方法。

三维激光扫描技术综合了许多现有的技术，例如全站仪的测角测距技术，摄影获取目标表面纹理的技术，以及制图软件的点线面体模型构建等。常见的三维激光扫描仪一般由三个部分构成，激光测距系统、激光扫描系统以及相应的支持系统，另外有些三维激光扫描仪还集合数字摄影系统。三维激光扫描仪的工作原理为发射器发射激光，到达被测目标表面后反射回来，再由接收器接收反射光。通过测量激光往返的时间以及旋转角来测量到目标的距离和激光发射束的角度。传统的测量仪器一般作业过程复杂，工作量大，需要多名技术人员配合。而三维激光扫描仪则克服上述缺点，具有作业简单，扫描方面，单人操作等优点。利用其在土木工程建设的各个阶段都有着广泛的应用前景。

2  Trimble SX10三维激光扫描仪

2.1 Trimble SX10的特点

作为新一代的地面三维激光扫描仪，Trimble SX10由天宝公司在2016年推出，除了激光扫描的功能之外，该仪器还具有基础测量和摄影等功能，为土木工程的专业技术人员构建了新的工程解决方案。该三维激光扫描仪的主要特点如下：

①扫描速度快，每秒可扫描点的数量为26600个，其扫描距离达到600m;

②在设站和点云拼接上，可无需反射靶标，利用控制点完成，其精度和效率高;

③除了扫描功能，还集成了测量和影像的功能，可以完成常规全站仪的测量功能，同时利用其影像系统获取工作区域的高清影像;

④在強大的数据处理软件的支持下，能够快速地进行数据处理和成果输出。

2.2 Trimble SX10的扫描设置

Trimble SX10被设计为一种创新设备，将全站仪功能与强大的激光扫描仪功能相结合。由于其特殊的设计和容量，它甚至可以被视为具有全站仪测量设备的激光扫描仪而不是相反。实际上，Trimble SX10扫描速率趋近于传统激光扫描仪的扫描速率。

Trimble SX10可以非常及时地获取场景的密集点云，可以由用户直接选择要扫描的区域，而无需预先执行用于选择的360°预览点云。通过在触摸屏上点击四种可能的特性来定义该区域，可以执行密集点云的全圆采集，以获得360°的最大视野的周围环境的全局概览。但是用户还可以根据三种其他的帧选择观察窗口：由上下限制的两个点定义的带，由两个点定义的矩形或具有更复杂形状的多边形。在构成要扫描的目标区域之后，可以修改其他设置，例如点密度，四点密度对应于扫描线从粗到超密度的略微移位的1，2，4或8个通道。参数化的最后一个设置是用于着色点云的相机的选择，以及这些图片之间的重叠。使用Trimble SX10进行点云采集时的宝贵资产是可视化现场采集的数据。使用Trimble Access软件可以查看捕获的点云，并且可以根据与之相关的扫描站用真实颜色，强度值或每次扫描一种颜色来显示它们。还可以在平板电脑放大捕获的点云，这在现场是有重要价值，确保调查区域中没有丢失的部分。

2.3 Trimble SX10与其他扫描设备

除了天宝公司推出的Trimble SX10新一代激光扫描仪之外，其他测量仪器制造商也推出了类似的硬件产品。如拓普康公司推出的Topcon IS-3产品，该产品在创建360°全景图的基础上，还提供速率为20点每秒的简单扫描功能。这意味着可在定义的窗口区域中沿用户指定的间隔捕获点，在测量和输入过程中无需用户针对每个点进行干预。

除此之外，徕卡公司也推出了具有扫描功能的设备如Leica MS50或MS60，该设备与Trimble SX10相似，能够高效地进行扫描。而它们的一大优势则是测量所有点可在同一个唯一参考系统中进行协调。与Leica MS50/MS60相比，Trimble SX10 有着更高的扫描速率，这是由于SX10设备上没有望远镜，取而代之的是安装摄像头并使用相应的遥控器进行控制。Trimble SX10与其他地面三维激光扫描设备对比如表1所示。

3  Trimble SX10的作业流程

3.1 控制网建立

控制网建立的目的是实现整个扫描区域的坐标统一，在设计控制网时需要结合项目需求精度来进行。Trimble SX10由于集成了常规全站仪的功能，故可以采用全站仪设站的方式完成设站工作，其设站精度高。在布设控制网时，为能够根据项目现场情况进行扫描仪的定向并扫描规定区域，需要仔细考虑设备的设站位置。

3.2 点云扫描

为了获取符合精度要求的，完整的目标点云数据，为后续建模打好基础，需要进行点云扫描。在做好前期准备工作之后，Trimble SX10三维激光扫描仪在设站点进行扫描的主要过程如下：

①仪器架设。在选定好的设站位置架设仪器，对相关的配件进行连接，并完成对中整平等基本工作。

②仪器设站。利用已知的控制点，利用自由设站法进行定向和设站。

③点云扫描。利用平板电脑控制扫描仪，对工程的文件名、存储位置、扫描范围及分辨率等信息进行参数设置，确定无误之后开始扫描工作。

④数据检查与换站。单站扫描结束之后，对点云数据和影像数据的质量进行检查，确保数据合格。若不合格则需重新扫描，若检查合格则可换站继续扫描。

3.3 数据处理和建模

获取点云数据之后，其数据处理过工作主要是利用点云数据进行三维建模。利用点云数据建模的主要过程包括点云拼接、去噪、精简、构建三角网，曲面拟合以及贴纹理等。由于被扫描的目标由多个测站的点云数据得到，此时为了将点云数据融合为一个整体需要进行点云拼接。为保障点云数据的精度和准确性，一般需要进行预处理工作對点云数据进行去噪和精简。点云去噪的方法包括双边滤波、高斯滤波、分箱去噪、直通滤波、随机采样一致性滤波等。去噪后的点云数据量仍然很大，会降低数据处理的的效率，故一般需要对点云数据进行精简，缩减数据量，提高数据建模速度。点云去噪及精简完成之后，可在其基础上构建三角网曲面，并通过编辑、修补、缩减分、割以及设置相应的参数、栅格化。完成上述操作之后即可通过曲面拟合建立完整的模型，但是此时的模型缺乏真实目标的表面纹理信息，仍需要通过对目标表面拍摄的影像完成贴纹理的操作。

目前利用点云数据进行三维建模的商业软件较多，可快速完成建模过程，比如天宝公司自带的TBC点云模块就可以将Trimble SX10三维激光扫描仪采集的点云数据快速构建成相应的三维模型。

4  结束语

三维激光扫描技术在土木工程领域有着广泛的应用前景，本文主要概述了Trimble SX10三维激光扫描仪的主要功能，与其他的类似设备进行了对比，进而分析了利用Trimble SX10设备进行三维建模的主要流程。Trimble SX10作为最新一代的三维激光扫描设备，在土木工程测量中有着较强的竞争力。

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