工程测绘中三维激光扫描技术的应用

摘要：空间信息获取技术是当前地球空间信息科学研究的热点问题之一,由于自然界空间对象的纷繁复杂,传统的地学三维数据采样率较低,难以准确地表达地学对象的真实状况,使得三维数据实时获取在空间信息科学领域显得尤为重要。随着计算机技术的快速发展和科学技术的不断进步,将现实世界的实体信息快速地转换为计算机可以识别处理的数据已经不再是人类的梦想。科技的创新、不断涌现的新技术为空间数据采集提供了各种各样的新方法和新手段,推动三维空间数据获取向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展。三维激光扫描技术就是这个信息获取时代的产物,该技术作为获取空间数据的有效手段,能够快速的获取反映客观事物实时、动态变化、真实形态特性的信息。

关键词：工程测绘；三维激光扫描；技术；应用

中图分类号：TB2 文献标识码：A

引言

在空间数据的测量中，获取三维数据是一个重要的工作，三维测量目标包括空间精细的物件，也可以是高大的建筑物或庞杂的地形地貌等现实世界的各种形体。如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维表面数据，进而能快速地变成高质量的计算机软件中的三维数学模型目前仍然存在很大的障碍。三维激光扫描技术可以应用于文物保护、城市测绘、GIS数据获取、工程测量、地形测量等各种测量领域，可发挥较大的经济和社会效益。

1三维激光扫描技术的应用现状

1.1三维激光扫描技术原理

三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，全部所采集的三维建模数据和三维点云数据都能够通过标准接口的格式转换更为方便地为各种工程软件来直接使用。

1.2设备分类及性能

三维激光扫描设备可分为机载类和地面类。地面扫描设备根据扫描的方式不同可以分为车载、地面和船载。地面扫描设备按其功能可以分为ILRIS—3DVP、ILRIS—3DER、ILRIS—36D和ILRIS—3DMC四种型号。ILRIS—3DVP是最基本的扫描设备，使用范围比较广；ILRIS—3DER距离增强型,能够远距离进行工作；ILRIS—36D的扫描空间比较广，面积达，可以旋转扫描；ILRIS—3DMC适合于车载和船载进行移动扫描。

1.3系统组成

三维激光扫描设备由软件和硬件组成，硬件为三维激光扫描仪，软件包括点云影像后处理系统。

1.4三维激光扫描技术应用现状

应用范围非常广泛，主要有建筑物、地形以及其他对象进行的高精度测量。此外，地面三维激光影像扫描仪也可以应用在复杂工业设备的建模与测量、房产图测量与房屋建模、灾害三维实时监测、工程建筑物变形监测、矿山及隧道测量、事故灾害评估和大型水利工程安全监测与研究等方面。

2 实例分析——脉冲式三维激光扫描技术在地形测绘中的应用

2.1脉冲式三维激光扫描仪的测量原理如下：

距离测定

脉冲式三维激光扫描仪的测距方式和常用的免棱镜全站仪的激光模式很类似，都是由激光发生器发射出CLASSⅠ级激光脉冲，投射到被测量物体上后，由接收器接受到反射光，参考高精度时钟记录下激光脉冲往返时间差.测距仪与被测物之间的距离即为光速和时间差乘积的一半。光速的精度可以通过准确测量影响大气折射率的几个条件（气温、气压等）来提高，时间的精度可通过一系列的判别技术来提高。脉冲式测距较远，但随着距离的增长，精度也会逐步降低，目前常规的脉冲式三维激光扫描仪，扫描距离为100米时，点位精度为±2mm～±10mm。

角度的控制和测定

脉冲式三维激光扫描仪测定激光脉冲的垂直角和水平角时，采用了内置伺服马达控制系统，这与常规测量手段中度盘的作用类似，但不同的是借助全反射来实现的。水平角的改变主要是由正多面体扫描棱镜的旋转来完成的。激光脉冲射向扫描棱镜镜体产生全反射，棱镜旋转带来入射角度的变化，从而改变脉冲的反射角度。激光脉冲的垂直角则由摆动扫描镜来调整，同样是通过镜体的旋转来改变入射角度，但角度变化小，不需要完成360o旋转。调整单一点位的激光脉冲出射角度，只需要通过电脉冲信号完成驱动棱镜的微电机精确控制即可，记录电脉冲信号同时也就是记录了与激光脉冲的实时角度。常规的扫描仪测角精度为±1"～±12"。通过马达控制系统，激光脉冲完成以激光发射器为中心，球形区域的地貌扫描。为了提高扫描效率，同时也为了减小垂直激光点云的光斑变形，大部分扫描仪在垂直方向上有极限角度，一般为70o左右。

2.2脉冲式三维激光扫描仪的全景扫描正是上述两种手段的结合来实现全景扫描的。

扫描出的空间点云数据是以激光发射器为中心的自定义空间极坐标系中，所以还需要通过预处理，将其转换为实地的测量坐标。转换通常借助常规测量或GPS为空间极坐标系原点赋予x,y,z坐标和正北方向，通过处理软件求出平移和旋转参数。

常规的脉冲式三维激光扫描仪的扫描速率在10000点/s～50000点/s，点位采集间距可达到数厘米，可在一个小时里完成数平方公里高密度空间云数据的采集，与常规测量方式相比较，作业效率显著提升。又因为使用全景测量的方式，大范围内的点位相对精度和可信度很高。

脉冲式三维激光扫描技术可与影像采集技术相结合，即时实现三维模型的构建。通过处理软件，首先，使用采集到的影像作为检测和修正参考，进一步提高空间点云数据的精度；其次，依据处理过的空间点云数据为被测区域建立三维空间模型；最后，对影像进行处理，作为三维空间模型的纹理，在短时间内实现了数据采集到成果输出的过程。

脉冲式三维激光扫描作为一种新测量技术，与其它测绘技术相比，发展时间并不长，所以不可避免的存在部分不足，这导致其在地形图测绘上应用十分狭窄,只是作为一种辅助的测量手段，配合常规测量使用。激光脉冲会因为过高的入射角度，导致投射到被测物上的光斑变形，精度下降；由于依靠反射脉冲信号测区，对一些反射率比较低的物体，测量效果下降，甚至产生点盲区；检校方式单一，精度评定不全面；由于激光脉冲产生的频率是固定的，致使测量精度和测量效率之间成为反比的关系；由于激光脉冲测量的特性，记录任何物体的反射信号，且不具备穿透性，对于遮挡后的物体，无法测量完整，常用的修正手段对于距离不规则的遮挡无效；大面积地形测量产生的空间点云数据所包含的点位信心是巨大的，为存储和传输带来相当大的不便，处理时对计算机软硬件要求很高，处理速度缓慢。

尽管存在不足，脉冲式三维激光扫描作为测绘科学的领先技术之一，还是具有突出的优势。随着相关技术的进步，脉冲式三维激光扫描技术会越来越成熟，在推动测绘的空间性和即时性发展上起到更为重要的作用。

3结语

（1）三维激光扫描系统是具有快速、细致以及高精度的这些特点。而如果让其应用在地形测绘的领域，就可以减轻测绘工作人员的作业强度，和减少作业时间，进而提高测绘效率，而且测绘也能够得到一个让人满意的结果。

（2）运用三维激光扫描系统在进行地形的测绘成图的工作时，也需要GPS、全站仪等设备来进行配合，从而空间每一个测站的位置也就确定了。

（3）若利用三维激光扫描系统得到的地形测绘成图的质量也会受到很多外在的因素影响，例如与测站的定位精度和目标物体的反射面有关的误差以及一些外界环境条件等。所以在使用的过程中就要尽可能地减少外在的因素对整个扫描质量的影响，从而获得更高质量的测绘成果图。

（4）三维激光扫描系统进行地形测绘成图的工作，是对于传统地形测绘工作的有力补充，这个系统是在测绘工作人员难以到达的区域而开展数据采集方面占有十分大的优势。

参考文献：

[1] 丁延辉,邱冬炜,王凤利,杨锐.基于地面三维激光扫描数据的建筑物三维模型重建[J]. 测绘通报. 2010(03)

[2] 戴升山,李田凤.地面三维激光扫描技术的发展与应用前景[J]. 现代测绘. 2009(04)