地面三维激光扫描测量技术新探

林　波

(龙岩市程安测绘有限公司，福建 龙岩 364000)



地面三维激光扫描测量技术新探

林波

(龙岩市程安测绘有限公司，福建 龙岩 364000)

摘要：空间信息获取技术是当前地球空间技术研究的热门领域，由于自然界空间具有复杂性，所以传统的地面三维数据采集技术已经不能满足科学发展的需要，所采集的数据采样率低，难以反映地面空间的真实情况，所以地面三维激光扫描测量技术应运而生，以其快速、无接触、精确等优势在地面空间数据的搜集中发挥着重要的作用。人们称地面三维激光扫描测量技术成为继GPS技术以后在测绘领域中又一次的技术革命。

关键词：地面三维激光扫描；测量技术；技术

地面三维激光扫描技术主要应用于地面空间数据的采集，传统的地面数据采集技术已经暴露出来越来越多的缺点，与地面三维激光扫面测量技术相比，具有局限性和落后性。自从地面三维激光扫描测量技术进入到我国以来，经过了十几年的研究，现已经初具规模和使用效果，但是在一些技术应用过程中仍然是存在着一些问题，需要我们进一步研究和解决。

1地面三维激光扫描测量技术的基本情况

1.1三维空间数据采集技术及其主要特征

地面三维激光扫描测量技术作为三维空间数据采集运用到的技术之一，在近几年来空间数据的采集过程中发挥了重要的作用，在一定程度上弥补了传统空间数据采集技术的不足。现阶段我国三维空间数据采集技术的主要类型包括：①大地测量技术，主要包括经纬仪、水准仪和全站仪等设备的应用；②天文测量技术；③卫星定位技术，也就是GPS系统；④惯性测量技术，惯性测量仪主要由加速度计、陀螺稳定平台和微机这三部分组成，只需要把它安装在运动体上，就可以测定运动体所处的经纬度、高度、重力异常、垂线偏差分量等大地元素；⑤激光雷达测量技术。这些技术运用在不同的领域，但都是在随时搜集和接受大地空间数据[1]。

此外三维空间数据采集技术的主要特征有四个方面，下面进行详细的介绍。

①采集技术集成一体化。在传统的三维空间数据采集和测量的过程中，主要是离散式的测量、计算、绘图和用图的过程，这几个环节之间彼此相互独立、互不关联。比如在对野外这一环节进行测量时，就可从测角、测距和水准这三个角度进行测量。而现代地面三维空间技术是集成测绘技术，它的外业、内业和用图实现了一体化和集成化。而且在测绘的过程中，主要是使用现代电子测绘仪器，比如GPS接收器、全站仪等设备，实现了各个环节和步骤之间的合作和集成一体化。

②观测的目标动态化。在传统的测绘中，是把终点建立在模拟地形图之上，只需要对数据和信息进行简单的处理；而现代测绘技术对数据的收集和处理有了更高的要求。特别是在工业生产的测量中。已经不单单是土木测量的范围，而是要对土木与非土木同时进行测量，还要对目标内的一切运动体和相关的数字、物理、化学等特性指标进行检测。

③实时化。传统的数据测量技术具有一定的滞后性，主要体现在测量建立对外业观测数据的后期处理过程中，从观测到获得三维坐标具有一定的时滞。但是在实际的应用过程中，现代电机的配套安装、自动化生产线的检测、军事作战等领域需要测绘能够实时进行，显然传统的三维空间数据采集技术已经具有落后性，所以现代测量数据技术弥补了这一不足，能够实时、准确的确定三维空间坐标[2]。

④成果数字化。在现代社会中，任何一项高科技的应用都离不开计算机技术和电子智能技术的应用，所以现代空间三维数据采集技术仍然需要计算机技术，使其测量成果实现数字化。在传统的测绘过程中，习惯于把终点建立在模拟地形图的基础上，虽然地质地形图具有直观、使用方便的特点，但是测图与需要的图之间总是存在差距。比如测图精确度不高、图上的数据和信息不全等缺点，这时数字化在地面三维空间数据采集的过程中就可以改变上述的问题，尤其是应用于野外大比例尺测图技术，可以保证地形点具有足够的空间。

1.2地面三维激光扫描测量技术的原理

地面三维激光扫描测量技术的核心是激光反射镜、激光发射器、光机电自动传感装置、激光自适应聚焦控制单元和CCD 技术等。但是由于三维激光扫描仪具有不同类型的种类，而且这些仪器之间工作原理也是不同的，经过总结，常见的原理大致有三种类型。①运用相位干涉的方法进行扫描，使用激光连续波发射，利用光学干涉原理来确定干涉相位的测量方法。这样的测量使用于近距离的测量，测量范围一般小于50米，采样点的速率可以达到10000点-500000点/秒。②使用脉冲测距技术，主要是从固定中心沿视线测量距离，通常的测距大于100米，采样速率在1000点/秒以上。③还可以利用立体相机和机构化光源，可以获得两条光线信息，从而建立立体投影关系。这种方法适用于近距离的测量，测量范围在20米以内，采样点的速率是100点/秒。

就目前的地面三维激光扫描测量技术来看，大多数激光扫描仪所使用的工作原理是脉冲激光测距的方法。主要是使用无接触式高速激光进行测量，通过点云形式获得扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。运用这一工作原理的仪器主要包括扫描系统、激光测距系统以及支架系统，还包括集成数字摄影和仪器内部校正等系统。常见的扫描系统中的LMS-Z210、GS100、ILRIS 3D、GS200等都是应用的这种工作原理。使用这种三维激光扫面技术的工作原理的三维激光扫描仪，主要采用 TOF脉冲测距法，这是一种具有高速激光测时、测距的技术。这种技术获取扫描目标点云坐标的工作原理，是根据仪器内部精密的测量系统获得发射出去的激光光束的水平向角度α和垂直方向角度θ，由脉冲激光发射到仪器的距离是s，这时可以根据扫描反射接收的激光强度对扫描点实施颜色灰度的匹配工作。

图1三维坐标获取

2地面三维激光扫描测量技术的特点

2.1数据采样率高

就目前看来，采用脉冲激光工作原理和时间激光工作原理的三维激光扫描测量技术，这两种的扫描仪采样点的速率可以达到数千点/秒，同时适用于远距离的采集；使用相位激光的工作原理的三维激光扫描仪可以达到数十万点/秒，所以现代的地面数据收集技术比传统的技术具有很大的优势。

2.2非接触测量

地面三维激光扫描测量技术采用的是非接触扫描目标的方式，进行测量。非接触的方式不需要反射棱镜，而且对扫描目标物体的表面不需要任何的处理。因为采用直接采集物体表面的三维数据，以这样的方式采集的数据可以保证真实可靠。非接触测量可以应用于解决危险目标、人员难以达到的位置和环境比较恶劣的情况。

2.3高分标率、高精度的特点

地面三维激光扫描测量技术可以实现快速、高精度获取海量的地面空间三维数据，并且可以针对扫描目标，实施高密度的三维数据采集，这样可以实现高分辨率、高精度的特点。

2.4主动发射扫描光源

三维激光扫描测量术是采用主动发射扫描光源或者是激光，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的空间数据信息。所以在实际的扫描工作中，三维激光扫描测量技术可以打破时间和扫描环境空间的限制，实现主动发射扫描光源的工作。

3地面三维激光扫描测量技术的应用

地面三维激光扫描技术相对于传统的空间数据搜集技术来说，能够弥补传统技术存在的不足，同时在数据采集过程中，变得更加精确和快速，实现了地面数据采集的完整和全面。而且随着地面三维激光扫描测量技术研究的不断深入，它的应用领域和应用深度在不断加深。

3.1工程方面的应用

地面三维激光扫描测量技术在工程方面的应用主要体现在以下几个方面。

①大型土木工程测量。在大型土木工程中的应用主要是针对道路、桥梁、隧道等土木工程的建设，在施工前的准备阶段，要获得精细的地形图，而且在施工工程的中期和后期完成阶段，要建立三维模型，以此作为施工的环境和地质分析的依据，对施工进行指导和质量的监督[3]。

②地质的应用。在我国国内，地质方面的工作主要包括地质编录、地质调查、地质露头研究、地质环境监测、边坡安全检测等，由于使用传统的单点测量效率比较低，而且安全性和精确度都不高，所以就是用地面三维激光扫描测量技术，可以充分以安全高效、非接触、精确的特点获得目标的三维坐标，从而建立三维模型。

③复杂工业设备、高压输电线路测量。复杂的工业设备管线数量非常多，纵横交错，需要对这些管线进行规划和设计，以便于日后设备的维护和管线的替换。利用地面三维激光扫描测量技术可以以高效精确的特征生成3D模型，从而为这些复杂的大型设备建立可视化的三维模型。

3.2土石方的体积测量

在土石方体积测量的过程中，可以根据地面三维激光扫描测量技术获得高精度三维点的云数据，这样可以轻松精确的获得目标物的体积大小。 矿山开挖的土石方体积测量、大型舱容测量、大型存储罐测量和单株树木体积测量。

3.3文物保护工作的应用

文物保护工作是一项非常复杂而且细致的工作，文物的保护不仅仅是简单的文物保护工作，还包括对文物的修护工作。因为文物历史比较久远，很多时候文物不能直接接触，所以在文物测量是要通过非接触的方式进行。所以要使用地面三维激光扫描测量技术，可以建立文物表面的精细模型，这样就可以不对文物接触，而是可以对模型的任意位置进行测量。这样也为文物遭到破坏的情况下，可以技术提供修复和恢复文物的数据。比如敦煌石窟数字化、大昭寺数字化、故宫数字化等都是对地面三维激光扫描测量技术的应用。

4结语

地面三维激光扫描测量技术是对传统地面数据采集技术的创新和发展，是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发展而产生的一项新测绘技术。随着地面三维激光扫描测量技术研究的深入，它的应用范围不断扩大，在工程测量、文物保护、土石方体积的计算等领域都有重要的作用，而且还对地面三维空间的数据收集发挥了重要的作用，以高精度、快速的特点进行数据的搜集和分析。所以我们要做好地面三维激光扫描测量技术的研究，不断促进我国空间信息科学技术的发展。

参考文献：

[1]徐柏松.三维激光扫描测量技术在海港礁石区测量中的应用[J].港工技术,2012,49(4):61-63.

[2]梁建军.地面三维激光扫描建模在建筑物测绘中的应用[J].商品与质量·学术观察,2014(5):210-212.

[3]柴炳阳,邵向楠.基于三维激光扫描的路面采样测量技术研究[J].科技创新导报,2013(20):123-124.

(责任编辑侯中岩)

中图分类号：P22

文献标识码：B

文章编号：1673-5382(2015)04-0090-03

作者简介：林波(1988-)，女，浙江舟山人，龙岩市程安测绘有限公司测绘工程助理工程师.

收稿日期：2015-05-27