激光三维扫描技术在既有建筑测量中的应用

摘要：本文主要对激光扫描技术的测量原理进行了阐释，以及需要的器材。同时简要论述了在既有建筑测量之中的具体应用。

关键词：激光三维扫描技术；建筑测量；应用

中图分类号：K826文献标识码： A

引言

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段冈。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是速度快、数据信息丰富、主动性、高精度、高密度、可量测。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理，且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用，也可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。

1、激光三维扫描系统的测量原理

不同的三维激光扫描仪，其工作原理并不相同，目前根据三维激光扫描仪种类的不同，激光三维扫描系统的测量原理可以分为以下三类:

1.1、利用脉冲测距技术，从固定中心点沿视线测量距离；

1.2、相位干涉扫描方法，利用连续波发射的激光，由光学干涉原理确定干涉相位，适用于近距离测量；

1.3、利用机构化光源和立体相机，建立立体投影关系，适用于近距离测量。

激光三维扫描仪是激光三维扫描系统的核心部分。主要采用脉冲测距法，是一种高速激光测时、测距技术，RIEGL VZ-1000型扫描仪的工作原理，如图1所示。

图1激光三维扫描系统测量原理

图 2 所示扫描仪为本次试验使用的 VZ－1000 三维激光扫描仪，其拥有 RIEGL 独一无二的全波形回波技术和实时全波数字化处理和分析技术，每秒可发射高达 300 000 点的纤细激光束，提供高达 0. 000 5°( 1. 8″) 的角分辨率。除此以外，基于 RIEGL 独特的多棱镜快速旋转扫描技术，它能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。VZ－1000定位精度为±5 mm/100 m，测距精度为 2 mm/50 m，扫描视场角为 360×100。并且该仪器外置了独立的1 200 万像素单反相机，并可以对相机进行升级，获得更高像素的照片。

图2RIEGL VZ－1000

2、测量设备

2.1、扫描仪

国外对激光三维扫描技术的研发起步于上世纪60年代，推出了较多相应设备，最有名的是瑞士Leica公司激光三维扫描仪，其他还有美国3DDIGTAL公司和Polhemus公司、加拿大OPtech公司、奥地利RJGEL公司等。国内虽然相关研究和应用起步较晚，但近年来有关产品也相继问世，如武汉大学自主研制的LD激光自动扫描测量系统，在市场中颇受青睐的北京天远三维科技有限公司的天远三维扫描仪以及RIEGL公司的 RIEGL VZ-1000型扫描仪。

2.2、配套设备

2.2.1、三脚架:属测量仪配套产品，具有找平功能，确保测量仪能够架设于各种凹凸不平的地面。

2.2.2、标靶:多个站点的扫描数据在进行拼接时，每两站数据之间需要选取三个公共点作为拼接约束。为确保公共点定位精准，在进行每站扫描前，需要在场景中设置特质标靶，常用标靶分为金属、纸质两种。金属质标靶有磁性底盘，可吸附在被测建筑物的金属构件上或放置于建筑近旁的地面上，其靶心可任意角度旋转以满足不同扫描角度的需要；纸质标靶通过电子文件打印，使用时一次性黏贴于被测建筑上或其近旁的物体上。

2.2.3、GPS定位仪

附设在扫描仪上，属于使用者的选配仪器，可获取扫描仪所在的大地坐标，从而准确确定被测建筑物的定位坐标。

3、测量步骤

3.1、制订测量方案

事先进行现场踏勘，选取不同的分站测量点和标靶设置点，情况复杂时需要绘制设站草图。

3.2、进行现场分站测量

3.3、数据导出和拼接:扫描仪自带存储器，对扫描数据进行时时储存，全部扫描结束后使用数据线将其导入电脑，并使用配套软件进行多站数据的拼接。

3.4、清理多余点云数据进:建筑物周边的树木、行人等点云信息往往占据了较大的数据空间

3.5、点云的编辑:使用配套软件或导入其它CAD,BIM软件对建筑物进行三维建模或绘制平、立、剖面图。

4、外业数据采集

4.1、现场踏勘

为了更精确地获得待测物的三维数据，根据测量的具体条件和现场待测物体周围的环境及复杂程度，进行实地踏勘，确定扫描仪型号、确定扫描的路线和测站点，要在待测区域布设测量控制网。通过控制测量把单视点数据统一到一个坐标系内，这样可以把后期采集的数据配准成完整的三维模型。

4.2、标靶点布设

为了保证每个测站能看到四个标靶点，标靶点要布设均匀，保持标靶点和控制点之间的通视，在扫描过程中不要改变标靶点的位置。

4.3、点云和影像数据采集

在已知测站上架设仪器，输入站点坐标，后视定向，设置扫描密度参数，选取好拍摄的时间，通过彩色摄像机实时选择测量区域，开始自动扫描作业、记录和保存点云和影像信息。还可以通过设置分辨率来调节扫描点的个数，以控制扫描的时间效率。操作过程中，应注意尽量与待测物体保持平视和保持统一焦距。5、点云数据处理

5.1、点云预处理

因为在扫描过程中外界环境因素对扫描目标的遮挡等影响，如周围的花草树木、车流、人群等及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云进行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中需要选择合适的过滤方法来配合这一过程自动完成。

5.2、点云数据配准

数据配准是把不同视点的数据统一到一个坐标系下面，使之成为一个整体。地面三维激光数据配准方法大致分为两种，一种是基于特征的数据配准，另一种是迭代数据配准。为了更好的提高配准的精度，较好、方便可靠的方法就是利用控制点配准的方法。在天宝激光扫描配套数据处理软件中提供了基于点云和基于目标的配准方式。采用三点到三点的配准方法，在扫描区域中设置至少三个控制点以便相邻的扫描点云数据统一到同一坐标系中。

5.3、点云拼接

将采集的数据导入至配套软件时根据坐标点自动拼接，但由于存在人为操作和仪器架设误差，一些点云接合处不太合适，这需要进行手动处理。立体模型建立以后，可对物体上的任意部位进行量测，给出特征数据，包括平面、线性距离、角度、半径、体积和断面。并且能够将几何图形转换到CAD中进行后续处理。

6、三维激光扫描技术在既有建筑测量领域的应用

三维激光扫描技术已经成为当前研究的热点之一，并在测绘领域体现出了广泛的应用。如夏国芳等就探讨了采用三维激光扫描测量技术来获取隧道的纵横断面桩号里程以及高程数据的方法。他们利用三维激光扫描技术，得到了完整的隧道点云模型,等同于对隧道真实场景的数字重现，因此在数据内业处理过程中，可以通过外业获取的点云数据灵活地绘制出隧道的横纵断面图。武汉大学的王晓则介绍了三维激光扫描技术在地籍调查中的应用，包括高精度的宗地面积的量算，生动形象的三维图像的生成以及快速建模以辅助地籍信息系统的建设。

徐进军等则将该技术引入到滑坡变形监测与分析中，通过充分利用滑坡体上的大量点自然地物作为监测点，来完整监测和分析其变形，并获得了初步满意的结果，表明采用三维激光扫描测量来快速建立滑坡监测系统，可以满足临滑预报要求。丁继胜等则介绍了该技术在海岸带测量、水深测量及海洋环境监测等方面的应用，并结合空载激光扫描测量技术的国内外研究现状，对我国在该技术领域的发展给出了一定的建议。黄义敏等通过激光扫描测量技术建立了高精度的水利枢纽工程构造物三维可视化数字地面模型，可对构造物任意点、任意尺寸或角度进行量测和校验，进行有效的测量精度分析，并给出限差报告，同时还根据工程需要生成了平面图、纵、横剖面图、等高（深）线图，计算面（体）积，进行工程放样等。

7、结语

激光三维扫描技术相对于传统测量方式有着无可比拟的优势，通过它可以快速获取复杂目标体的三维空间数据，使其在三维建模中能够发挥重要作用。从目前激光三维扫描技术的发展现状看，其应用前景广阔，但同时对其也要有客观的认识，不可将其作用无限放大，毕竟它只是一种先进的测量工具，对测量数据的处理和运用才是最终目的，而这一步还是需要依靠人的智慧以及其它工程设计软件的支持。

参考文献：

[1]李秋,秦永智,李宏英.激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究[J].煤炭工程,2006,04:97-99.

[2]李政良.三维扫描技术在高陡边坡测量中的应用[J].山西建筑,2013,27:189-190.

[3]孙德鸿,王占超.三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用[J].水利水电施工,2011,01:76-80.