三维激光扫描技术在特殊结构测量中的应用

李 超

(济南旌图信息技术有限公司，山东济南250101)

一、引 言

从1995年Cyrax推出世界上第一台三维激光扫描仪的原型产品开始，三维激光扫描技术已经走过了十几年的历程;它是继GPS之后，测绘行业在技术上的又一次飞跃。在十几年的发展历程中，三维激光扫描技术无论是在硬件设施上，还是在应用领域上，都在快速不断的向前发展;如今，三维激光扫描技术已经成为空间数据获取的重要技术手段。基于地面的三维扫描系统目前正引起广泛的关注，它是三维激光扫描发展的一个重要方向。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等各个领域也有了很多的尝试、应用和探索［1］。

传统的测量方式是单点测量，获取单点的三维空间坐标，而三维激光扫描测量技术不需要合作目标，即不需要棱镜，可以自动、连续、快速地获取目标物体表面的密集的采样点数据，也称作点云。由于点云的数据量非常巨大，因此由传统的点测量跨越到了面测量，实现了由量变到质变的飞跃。同时，获取的信息也从单纯的点的空间位置信息扩展到目标物的纹理信息和色彩信息。三维激光扫描技术的独特的优势表现在:①数据获取的速度快，实时性强;②数据获取全面，精度高;③全天候作业，不受光线的影响，主动性强;④ 数据表达清楚明了，表达简单［2］。

二、三维激光扫描仪简介

1.三维激光扫描仪的组成

三维激光扫描仪的配置主要包括:一台高速精确的激光测距仪、一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。部分仪器具有内置的数码相机，可以直接获得目标物的影像。通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描，从而获取目标表面完整的点云数据。

激光测距仪主要由激光发射器、接受器、时间计数器、微电脑组成。激光测距主要基于两种测量原理:脉冲测时测距和激光相位差测距。脉冲式测时测距也叫基于飞行时间的测距，是根据脉冲激光从发射到接收的时间差和光速来测距的。相位式测距则是通过测定激光在待测距离上往返传播所产生的相位延迟而间接测定传播时间，从而求得待测距离。无论是脉冲式还是相位式，三维激光扫描仪的硬件主要的度量指标有速度、角度、长度、精度和稳定度［3］。

2.脉冲式三维激光扫描仪工作原理

脉冲式三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量的方法，以点云形式表现目标物体表面的几何特征。脉冲式测距主要包括以下4个过程:激光发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲，同时接收由目标物表面返回的反射信号，利用稳定的石英钟对发射与接收时间差作计数，利用微电脑计算仪器和扫描点间的距离。仪器自身发射激光束到旋转式镜头中心，镜头通过快速而有序地旋转将激光依次扫过被测区域，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，内部微电脑通过计算光束的飞行时间从而计算出激光光斑与扫描仪两者之间的距离;与此同时，仪器通过内置角度测量系统来量测每一激光束的水平角与竖直角，进而获得每一个扫描点在扫描仪所定义坐标系内的X、Y、Z坐标值。三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时也会将激光点位置处物体的反射强度值记录，并称之为“反射率”。脉冲式三维激光测量原理示意图如图1所示。

图1 脉冲式三维激光测量原理示意图［4］

三、实例分析

1.研究背景

本次实例研究是以HDS8800三维激光扫描仪为工具，对长江口某需要水下施工的栈桥进行扫描。利用扫描数据，确定施工范围内倾斜柱型桥墩水下48 m处中心点的坐标，为水下新设备安装碰撞检测分析提供数据支持。数据利用I-SITE STUDIO和Cyclone两款软件进行处理。首先对桥墩数据进行提取、拼接、整理，然后进行拟合、计算，得到最终的成果数据，解决了常规测量无法实现或很难实现的测量难题。

2.测量过程

(1)扫描前的准备工作

实地查看栈桥桥墩的分布，根据周围环境找到架站最合适的设站位置进行标记。位置的选取以扫描到最多桥墩数据为目标。根据实地情况，最后选定在栈桥两端分别设置一个测站，两站能够通视。利用GPS对两个测站坐标进行定位测量，并进行差值改正，得到准确的三维坐标值。

(2)扫描过程

按照常规测量作业方法分别在两个测站上架设扫描仪，对中整平完成后，将测站坐标和后视点坐标输入操作手簿，调整进行后视定向，定向完成进行数据的预获取，根据数据检查定向是否准确。确认定向准确后，根据手簿数据框选栈桥需要扫描的区域进行扫描。扫描完成后查看扫描点云，如果远处的桥墩数据少则进行局部精扫描。

根据上述流程，本次共扫描获取了两站数据。扫描数据获取完整，并已经转换到实地坐标系统。单站扫描需要时间在10 min左右。点云数据如图2所示。

图2 点云数据

(3)数据验证

两站数据扫描完成后，利用全站仪免棱镜模式对栈桥盖梁的特征角点进行测量记录，利用这些数据对点云进行精度验证。

3.数据处理

要建立一个目标物的数字模型，必须经过一系列的数据处理操作。三维激光扫描数据处理可分为两个步骤:扫描数据的预处理和模型建立［5］。

(1)扫描数据的预处理——点云精度验证

将点云数据从操作手簿中导出并导入I-SITE STUDIO软件中进行三维浏览，同时将全站仪测量的栈桥盖梁特征角点作为独立的验证数据导入比对。

(2)数据处理

比对纠正完成后，将不需要的大量外部点云删除，以减少计算的工作量，同时消除多余点云对计算结算的影响。这一前期的数据处理称之为去噪。最后分别将单站数据转化为Cyclone可以识别的点云数据scan1、scan2。以scan1处理过程为例，步骤如下:

1)墩柱的拟合和中心线的提取。利用Cyclone中的Model模块，对测量范围内墩桩点云进行计算拟合，得到墩桩的三维实体表面模型。此三维表面模型是采用实体对客观物体进行描述的一种方法。通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作构造所需要的实体。利用这种方法可以完整地、清楚地对物体进行描述，并能够实现对可见边的判断。实体模型可以完整地描述物体的所有几何信息［6］。软件拟合中采用最小二乘法，由于拟合是基于大量的点云进行计算，因此精度非常高。

墩柱拟合完成后，决定其中心线的两个端点在软件中可以捕捉到后，选中圆柱两端点创建一条线段即为墩桩的中心线。依照上述方法，分别对设计范围内的所有墩柱进行拟合提取，得到所有墩柱的中心线，如图3所示。

图3 墩柱的拟合和中心线提取

2)提取每根柱子盖梁以下斜长48 m处的中心点坐标。因为每根柱子设计倾斜角度相同，根据其中一根找到这个角度，计算其48 m处在竖直方向上的Z值，在Z值处设置一个参考面，将所有柱子延长至此参考面即可得到所有柱子在48 m处中心点的坐标。

利用Cyclone中的Survey模块得出柱子的倾斜角度约为9.3°，根据此角度计算倾斜距离48 m处的Z值约为-42.050 m，以此值为基准作水平参考面，将所有的中心线延长至参考面，测量每根中心线的长度。至此得到了所需要的48 m处中心点坐标，如图4所示。

图4 延长墩桩的测量结果

3)对所有柱子的中心点坐标进行统计记录。按照上述过程和方法，对第二站数据进行处理，将结果进行统计记录。进行两次测量的目的就是使得测量结果更加准确并可以对比检测。利用上述两组数据进行分析，将超过误差范围的数据进行二次计算，从而得到更加准确的结果;而在误差范围内的数据可以求其平均值作为最终的处理成果。本次扫描最终的处理成果见表1。

表1 盖梁下48 m处墩柱中心点坐标 m

四、结束语

三维激光扫描作为一种新兴测量手段，正在逐步改变传统的测量方法，因仪器本身的性能及其点云数据信息量大等得到用户认可的同时，越来越多具有前瞻性的测量人员正试图用它寻求更加快捷、方便的方法。本文利用三维激光扫描技术对圆柱形倾斜墩桩进行数据采集和建模，从而提取出特殊位置的数据信息，解决了传统方法无法解决的问题。数据成果经过检验，符合最终成果的要求。

［1］李滨.徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用［J］.测绘通报，2008(6):72-73.

［2］DINESH M，RYOSUKE S.Auto-extraction of Urban Features from Vehicle-borne Laser Data［C］∥Symposium on Geospatial Theory Processing and Application.Ottawa:［s.n.］，2002.

［3］李滨，李跃明，宋济宇.地面三维激光扫描系统中的“五度”研究［J］.测绘通报，2012(3):43-45.

［4］赵阳，余新晓，信忠宝，等.地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望［J］.世界林业研究，2010(4):40-45.

［5］张会霞，陈宜金，刘国波.基于三维激光扫描仪的校园建筑物建模研究［J］.测绘工程，2010(1):33-34

［6］郑德华.三维激光扫描数据处理的理论与方法［D］.上海:同济大学，2005.