三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用

■吴凯

（新疆乌鲁木齐市城市勘察测绘院新疆乌鲁木齐830000）

三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用

■吴凯

（新疆乌鲁木齐市城市勘察测绘院新疆乌鲁木齐830000）

随着社会的进步和人类视野的开拓，人类对未知的世界越发的好奇起来，探索和测量就是人类迈进新世界的敲门砖，三维激光扫描仪技术的发明就是打开这一大门的钥匙。三维激光扫描仪加上全球定位系统的组合使得数字技术测绘能力又进行了一次质的飞跃，在大范围地形勘测中，测量结果在各方面都表现出三维激光扫描技术仪要比传统的方式更加精确和高效，不仅能够保证测量的数据准确，还更加灵活和智能[1]。

三维激光扫描仪 地形测量 实际应用

三维激光扫描仪技术在地形测量中的广泛应用是在三维激光扫描仪的出现后才真正实现的，是在全球定位系统的技术发展于地形测量技术基础上的又一次突破，这种革新技术采用了全自动、高精确度、全方位立体式扫描方式，是全球定位系统运用市场的开拓者。三维激光扫描测量仪技术在大大减少人力物力成本的同时，还能方便和快捷的数据分析，甚至数据采集的同时可以直接在电脑被3Dmax、CAD等专业软件中显示处理，这种效率是传统方式无法完成的。随着三维激光扫描测量仪技术、3D技术和计算机软硬件的完善，这些新兴技术的运用也渐渐深入到各行各业，如电影特效、文物鉴定、模具制造、导航技术等等，科学技术最终都为人类生活所服务。

1　三维激光扫描仪技术的分类

三维激光扫描仪技术形形色色有很多，不过按照扫描仪所搭载的平台可以分为三种：便携式激光扫描仪技术、地面激光扫描仪技术、星载(或机载)激光扫描仪技术。

按照所扫描技术的距离又可以分成以下四类：

（1）短距离激光扫描仪技术：正常扫描距离为60CM～120CM，在此段距离间的扫描效果也是最佳，但最长扫描距离不能超过300CM，这种扫描仪技术，其扫描速度快精确度高，普遍运用于小型模具的测量。（2）中距离激光扫描仪技术：扫描距离在3M～30M之间，这种技术多用于室内空间以及大模具的扫描。（3）长距离激光扫描仪技术:扫描距离在30M～1000M之间，长距离三维激光扫描仪技术多于大型土木工程和建筑物的建造和测量时使用。（4）航空航天激光扫描仪技术：最长扫描距离通常在1000M以上，并且必须配合精确的全球定位系统，在大范围地形的扫描测量方面有很好的运用。这种技术可以在军事和大比例尺地图测绘中很好的施展拳脚[2]。

2　三维激光扫描仪技术数据处理地形数据的原理和方法

三维激光扫描仪在进行扫描完成后，把扫描的结果以三维点云的形式整齐平均的排布在被扫描物体的表层，并可进行多次扫描直至观测数据完整。而在扫描测量后，再进行三维点云数据的建模过程，把被测地形正确而直观的描述出来，这样才完成一次符合要求的扫描。不同测站三维点云数据的参考坐标也是不同的,所以几个观测站的数据必须以彼此作为坐标系统参考的关系转换,也可把所有的三维点云所测到的同一地形的数据找到同一个坐标系统进行参考，这种数据处理和参考坐标的方法被称为三维点云联结。现在常用的三维点云联结方法有四种:

2.1共轭面转换法

在不同观测站扫描的数据点云中找到一部分可以重叠的群点云，由观测员将这些点云经过操作重叠成“面”，再找出多个不平行的“面”（即共轭面），这几个共轭面可得到多个进行平行移动和旋转形成的三维立体坐标，并得出相关参数。这种共轭面转换法虽然工作专业性比较高，且计算较为复杂，对观测员的业务素质和观测能力要求严格，但不需要到观测点进行额外的作业。

2.2磁性觇标控制点法

在相邻的观测站共同所能观测的区域设置磁性觇标，以觇标为标点，再使用激光对磁性觇标的位置发出发射弧，激光所发出的弧对觇标有着特殊的反射强度，使得其很容易自主的寻找到控制点的位置，在被测地形上放置多个觇标点，便可以定位得到这里的坐标参数，这种方法比起共轭面转换法多一个设置觇标的过程。

2.3测站后视棱镜法

激光的特点是在射到有棱镜时会发生反射现象，而且很容易辨识，所以把测量站和棱镜分布在三维关系网中，从测量站和棱镜的地形坐标可得出三维点云的坐标参数。而前两者的坐标可以由全站仪和全球定位系统得到，这种方法与磁性觇标控制点也较为自动化。

2.4曲面匹配法

如果被测量的地形是类似于海洋，其存在变形起伏的情况，那么以上几种方法都可能不能实现精确测量。因此可以通过曲面匹配法与重叠区域的三维点云数据相结合，这种方法目前还无法离开传统的测绘，必须倚靠人为参与和操作，内业处理后才能得出最佳数据。

3　三维激光扫描仪技术在地形测量中的实例

当年对西藏自治区的日喀则进行水利枢纽建设，为当地的水利和配套灌溉设施进行规划时，在工程开工前对该地区的测量工作就是由三维激光扫描仪技术展开，当地的平均海拔在4500米以上，地域辽阔、交通不便、高山荒漠众多、原始地貌复杂，在如此恶劣的环境下进行采用传统方式作业费时费力，工作难度极大，而该工程又包括水坝水库和支流的地形分析和观测，因此，在观测中三维激光扫描仪技术的迅速高效的特点突显无疑。

而在南水北调工程中，对全国水网的整体规划，更加不可能靠人工来测绘，这种大比例超大范围的工程设计，必须用结合了GPS功能的三维激光扫描仪技术才能实现。如其中难度较大的千岛湖引水工程，光引水管网铺设的长度就超过100公里，沿途大范围的管道网的分布和设计，千岛湖周围丘陵绵延，植物生长繁茂，视线范围很差，如采用传统测量方法无法完成，将影响国家建设的步伐，而使用三维激光扫描仪技术很轻易的在短时间内就设计完成了工程方案。

4　结束语

综上所述，三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用已经驾轻就熟，给传统的测量技术带不小的冲击，是地形测绘的一个里程碑。较传统的地形测绘方法而言，测量的准确率高、形式方法的多样性、得出数据的精确和迅速，并且能够在电脑中一次性建模，都极大的解决和满足了不同工作中所遇到的问题和所提出的要求。在信息发达的时代，在智能化和数据化的工程架构下，在科学技术不断进步的今天，效率永远是人们的首要追求，企业都在努力追求降低成本，减少劳动力，因为效益才是王道。因此，三维激光扫描仪技术的市场应用和前景必然广阔。

[1]李子坡，李晓静；工程技术 [M].三维激光扫描仪在地形测量中的应用.2009：249.

[2]康习军.科技视界 [M].浅谈三维激光扫描仪在测量中的应用.2010:86.

P2[文献码]B

1000-405X（2016）-7-246-1

吴凯（1983～），男，2005年毕业于中国地质大学（武汉），本科，研究方向为城市测绘。