地面三维激光扫描测量技术研究

付国兴

(黑龙江省林业设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

地面空间数据采集中一项重要的技术就是地面三维激光扫描技术，该技术主要用于空间数据资料的采集，对地面情况进行真实的反应。传统的地面三维激光扫描技术还存在不少的弊端，难以确保地面数据信息采集的真实性和有效性，因此需要进一步加强对该技术的分析。

1 三维空间数据采集技术的主要特征分析

1.1 观测目标的动态化

传统的测绘技术常常在模拟地形图上构建终点，只是对数据进行了简单的处理，因此得到的测量数据和信息精确程度不高。而目前的三维空间数据采集技术在收集和处理数据上有了更高的要求。该测量技术不仅适用在土木工程领域也适用在工业生产领域。采用三维空间数据采集技术可以对目标内的一切运动物体以及相关性的特性指标等进行检测[1-2]。

1.2 采集技术集成一体化

离散式测量是传统地面三维数据采集测量常使用的模式，此种测量模式下的计算、绘图以及用图的各个环节相互独立，互不关联。举例来说，在野外环节测量时，就可以分别从不同的角度测量，如测角角度、水准角度以及测距角度等。传统的三维空间数据采集技术精准度较差。而现代的三维空间数据采集技术属于一种集成测绘技术，可以实现集成化和一体化作业，将外业、内业和用图结合在一起。在实际的测绘工作中可以利用现代电子测绘仪器，如全站仪、GPS接收器等设备将各个测量环节和测量步骤联系在一起，提高三维空间数据采集技术的集成化和一体化程度。

1.3 数据测量的实时化

现代的三维空间数据采集技术在数据测量上具有实时化的特点，与传统的数据测量技术存在明显不同，传统数据测量技术测量数据的滞后性较为严重，尤其在外业观测数据的测量处理时，滞后性问题较为严重，具体表现为观测到获取三维目标两者之间存在明显时差。滞后性的特点难以促使传统数据测量技术使用在自动化生产线的检测、现代电机配套安装以及军事作战等领域。上述领域均需要获取实时的测绘数据，而现代的三维空间数据采集测量技术正可以有效解决上述问题，弥补了传统数据测量技术的不足，可以实时、准确的构建三维空间目标。

1.4 测量结果的数字化

三维空间数据采集技术离不开计算机和电子智能技术的有效支持，正是由于高科技的参与才使得现代三维空间数据采集技术的测量成果更具数字化的特征。数字化地面三维空间数据采集技术可以有效解决传统测绘过程中测图精度不高、图上数据和信息不全等问题，非常适用于野外大比例尺测图技术。

2 地面三维激光扫描测量技术的原理分析

地面三维激光扫描测量技术的工作原理如下，依靠相位干涉法扫描并借助激光连续波发射。干涉相位的测量方法需要利用到光学干涉原理。在该原理下可以实现近距离测量要求，将测量范围限制在50m以内，此时的采样点速度可以达到10000～500000点每秒。在立体相机和机构化光源的帮助下，可获取两条光线信息构建立体投影关系。该方法下对近距离测量非常适用，可将测量范围限制在20m以内，采样点速度可以达到100点每秒。脉冲测距技术下可从固定总线沿着视线测量距离，测量范围至少为100m，采样点速度为100点每秒以上。目前脉冲激光测距方法是地面三维激光扫描测量技术常采用的工作原理。该测量技术中的扫描系统、支架系统、激光测距系统以及集成数字摄影仪器背部矫正系统等都是在该工作原理下运行的。其中扫描系统中的GS100、LMS-Z210、ILRIS 3D等是应用该工作原理的典型代表。三维激光扫描仪在TOF脉冲测距法的支持下可以获取扫描目标点云坐标，其中目标点云坐标见图1。再从仪器内部精密测量系统的支持下，获得发射出去的激光光束，其中激光光束的水平方向角度为α，垂直方向角度为θ，s表示脉冲激光发射到仪器之间的距离。构建出目标点云坐标之后可以根据扫描反射接收的激光强度对扫描点进行颜色灰度的匹配工作[3-4]。

图1 目标点云坐标获取

3 地面三维激光扫描测量技术的特点

3.1 具有较高的数据采样率

三维激光扫描测量技术不管是采用脉冲激光工作原理还是时间激光工作原理，这两种方法的扫描采样点速率可以达到数千点每秒，在远距离数据采集中非常适用。而采用相位激光工作原理的三维激光扫描仪采样点速率可以达到数十万点每秒，可见地面三维激光扫描测量技术数据采样率是非常高的。

3.2 非接触测量方式

非接触测量是地面三维激光扫描测量技术的显著特点。该技术可以对扫描目标物体不加任何处理，直接在物体表面获取三维数据。该数据采集方式有较强的可靠性，尤其是在危险目标和恶劣环境扫描时非常适用。

3.3 扫描光源可主动发射

地面三维扫描测量技术在获取目标物体的空间信息时，可以主动发射扫描光源或者激光，并对自身发射的激光回波信号进行探测。因此地面三维激光扫描测量技术可以不受时间、空间以及扫描环境的限制，可独立完成主动发射扫描光源的任务。

4 地面三维激光扫描测量技术的主要应用场所

4.1 工程测量上的应用

地面三维激光扫描测量技术可应用在土木工程的测量上，土木工程建设涉及的内容较多，包括桥梁工程、道路工程以及隧道工程建设等。不管是何种工程在开展前期都需要做好施工前的准备，获得精确的地形图。此外，在工程施工的中后期还要构建三维模型作为分析施工所在地地质和环境的依据，指导工程建设的顺利开展。在地质方面应用地面三维激光扫描技术可完成地质调查、地质编录、地质露头、边坡安全检测以及地质环境监测等工作。地质工作中借助该技术的精确性、非接触性以及安全高效性可以获取更为准确的目标三维坐标，构建三维模型。此外，在测量较为复杂的工业设备和高压输电线路时，也可使用地面三维激光扫描测量技术，利用该技术规划和设计管线，以便后期对管线的维护和替换。在该技术的支持下可生成更为精确的3D模型，为将复杂的工程项目转换为可视化的三维模型[5-6]。

4.2 文物保护上的应用

文物保护工作具有较强的特殊性，复杂程度较高。文物因为历史年代悠久的原因，在很多情况下要求文物保护工作人员不能直接接触，因此在文物测量上需要采取地面三维激光扫描测量技术，依靠该技术的非接触测量特点，构建精细化的文物表面模型。利用该技术可在任意位置对文物进行测量，并提供修复和恢复文物的数据。

4.3 土石方体积测量上的应用

地面三维激光扫描测量技术在测量土石方时也可以使用，在该技术的支持下可以获取更为精确的三维点云数据，工作人员可以对获取的云数据进行分析，衡量出目标物体体积的实际大小。

5 结语

综上所述，地面三维激光扫描测量技术是对传统测绘技术的创新和发展，是一种全新的测绘技术，该技术的产生离不开空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术的支持。地面三维激光扫描测量技术的不断发展，促使其使用范围也越来越广，尤其是在工程测量中具有明显的优势。