三维激光扫描技术在工程测量中的应用

2020-10-25周超，李慧

工程技术研究 2020年18期

周超，李慧

（浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州 310000）

工程测量过程中会产生大量的数据和信息，传统人工方式在数据处理和信息归纳过程中的效率较低，且精准性不高。利用信息技术结合人工管理的方式进行综合作业能够进一步提升工程测量的效率。三维激光扫描技术充分利用了激光测距的原理，实现了数值的信息化统计和归纳，以及利用技术进行点位测量和云图密度分析的目标。因此，文章探究了三维激光扫描技术在工程测量中的应用，并且着重分析了其原理和类型，进一步明确了三维激光扫描技术的应用价值。

1 三维激光扫描技术的类型及工作原理

就当前三维激光扫描技术的应用情况来看，可以分为固定式和移动式两种。其中固定式技术主要依赖于测量设备全站仪，将其作为激光扫描的控制中心以及数据处理中心，全站仪能够将大量的数据进行汇总整合，并且通过处理软件来形成三维坐标，具有操作简单、高精度、高效率、范围广的优势[1]。

而移动式的三维激光扫描技术，主要利用车载平台进行移动式定位扫描，借助GPS系统、IMU系统，并结合三维激光扫描技术组成整体的运转系统，具有更高的灵活性，但是对于某些地形较为恶劣的环境开展测量作业，具有一定的阻碍。

从该项技术的运行上来讲，主要的核心原理为激光测距技术。在运行过程中，激光测距技术会不断地进行数据的采集和处理工作。接收设备会对测量对象返回的激光强度进行接收，并且根据激光的强度来测量对象点的距离数值，进行颜色的灰度匹配[2]。从测量作业的整体流程上来讲，定位测量点的过程即为整体系统打造局部坐标的过程。扫描仪往往充当了原点的角色，利用这三点的坐标系统能够定位测量点的相关数值。详细的测量原理如图1所示。

图1 三维激光扫描技术的测量原理

就当前业内的应用现状来看，利用固定式全站仪进行扫描作业的应用较为广泛，而移动式的扫描作业技术由于受到了较多因素的影响，依旧处于不断地实验和发展阶段，因此文章所讨论的三维激光扫描技术主要以固定式全站仪形式为主。

2 三维激光扫描技术在工程测量中的应用流程

工程测量的方向主要以地形图的绘测、计算土方量、竣工后的工程测量以及施工过程中的三维建模这几个方面为主，每一个领域都涉及了大量的数据测绘和采集工作。这些数据的精准性将直接影响工程后期的质量和稳定性，因此利用三维激光扫描技术进行测量，能够为工程建设提供安全保障，基础的流程为以下几个阶段：

首先，需要做好扫描作业前的准备工作，勘测扫描环境，确定扫描仪的位置以及标靶的位置，保证扫描点和扫描仪之间获取到的数据能够代表整体的测量区域。在扫描的过程中，需要对扫描对象进行拍照，形成后期的影像数据。

其次，需要获取点云数据，不同的测站需要对范围内的3～4个扫描点进行精准测量，来规划扫描控制标靶的中心位置。结合多项数据来确立三维坐标，将坐标体系作为后续数据配比的基准。

最后，结合获取到的数据与前期的地形拍摄图、绘测数据、不规则的环境体积以及工程的相关资料进行分析[3]。

3 三维激光扫描技术在工程测量中的实际应用

以下着重分析三维激光扫描技术在地形图绘制、土方量计算、道路竣工测量以及三维模型构建等方面的应用情况。

（1）绘制地形图。地形图绘制过程中的主要流程如下：首先，以点云数据处理为基准，在提取整体的地形地貌基础上确定特征点，通过多项图层的结合来形成地形图。首先，提取地面的特征点。在已经完成扫描的图像中定位具有特征的点位，例如区内的电线杆、房屋的角点以及高大的树木等。特征点定位之后需要将其导出，利用数字测图软件进行绘制。其次，定位等高线。此时需要将已经测量好的点云数据进行抽稀，将处理之后的点云数据与大比例尺的数字测图软件进行结合，利用软件的自动生成功能来形成等高线。最后，完善等高线。通过已经确定的等高线以及地形图进行补缺和调整，利用人工编辑的方式，结合地形图和实际环境作用中的地物进行充分叠加，使等高线更加圆滑、完整[4]。

从使用优势上来看，利用该项技术可以减轻人工野外作业的难度和强度，同时也可以精准的获取较为细致的地形地貌，但是在处理点云数据的过程中较为繁冗，因此，对于地形图测绘来讲，起到的成效并不是十分明显。

（2）计算土方量。利用三维激光扫描技术来计算土方量时，首先需要打造基准面，在得到点云数据之后再将这些数据与坐标系进行结合，利用最小二乘法进行计算，提升数据的精准度，最后结合高程信息以及点云数据的边界来打造基准面。结合不同的工程信息，基准面的形状通常以高程为主，同时也存在曲面等类型。接下来需要将地形图中的非地貌数据剔除，主要有地形地面上的基础设施以及植被。剔除的方式可利用平均面迭代法，反复多次直至地形表面的构造物都被剔除之后，才能够得出基准的数据。最后结合构建完成的基准面来打造不规则三角网，利用三角网的数据与坐标之间的数据进行结合，生成数字模型，利用模型中的相关数据便可以计算出挖方量和需要填方的体积[5]。详细的测绘流程如图2所示。

（3）道路竣工测量。利用三维激光扫描技术来获取道路的相关数据，需要在形成点云数据的基础上来进行坐标转换，根据固定间隔来提取点云数据中的三维坐标。详细信息如图3所示。接下来结合自动生成的等高线来绘制工程的样图，并且拟定横断面如图4所示。

利用该项技术进行道路工程竣工测量，可以进一步提升作业效率，减少传统人工劳动的强度，同时数据方面也较为精准，最后制定的地形图也能够反映工程的实际信息。

图3 道路工程坐标提取

（4）三维模型构建。在利用三维激光扫描技术构建模型时，点源数据的密度将直接影响最后模型的精度，因此需要利用三角网以及构建软件进行独立分析和展示。另外，在正射影像数据提取的过程中，要确保数据的数量和精度，为整体的模型提供精确的纹理[6]。纹理信息的获取主要依靠扫描仪上安装的数码相机，纹理需要与最终形成的点云数据以及三角网进行叠合，才能够使纹理图像的位置更加精准，且具备纠正和缩放等功能。