三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用

陈伟东

（河北省地质调查院，河北 石家庄 050081）

随着科学技术的不断发展，测绘技术也获得了极大的提高和进步。三维激光扫描技术完全是新科技下的产物，三维激光扫描技术不论是在数据收集的准确度和丰富度上还是在测量的安全系数上都较之前有了很大的进步。它的工作方法是通过发射激光，将激光经过的区域的数据采集下来，它的采集范围很广，扫描距离较长，即目之所及皆可得。在获得数据之后，用三维激光扫描所收集的数据，这样就可以更高效更快捷的获得结果。而且三维激光扫描技术可以和其他技术相结合，使测量更加方便快捷，更加符合当今这个社会的运行速度[1]。

1 三维激光扫描仪

依据不同的扫描地点可以把三维激光扫描仪分为以不同三种：机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统和地面型激光扫描系统等等。这回运用的是地面型三维激光扫描系统，借此来勘测地形地质，三维激光扫描仪的整个系统由三部分组成:扫描仪、设备控制器和电源供应系统构成。

那么本次所用的扫描系统的运行过程是这样的：会从三维激光扫描系统发射器发射出一个窄束激光脉冲信号，然后这个信号将经过被扫描的区域内的所有被测物体，之后被扫描过的物体会对这个窄束激光脉冲信号做出反应，最后这个窄束激光脉冲信号会带着被测物体的信息顺着原途径回到扫描初始点。通过计算激光脉冲从发出到折回所需要的时间来衡量其二者之间的距离,同时在它的内部设置精度较高的时间控制机器。通常来说，三维激光扫描测量中的坐标系都是测量仪本身自带且特定的，横向扫描面内有X和Y轴，两者是互相垂直的关系，z轴垂直于横向扫描面，如此便可以快速的确定目标点的坐标。

通过衡量脉冲信号的发射时间和接收时间的差值，以此获得一个算式。得到了窄束激光脉冲的发射与折回的时间间隔，就能够准确地知道被测点和三维激光扫描系统发射器之间的距离：S=1/2CtL。C指的是光速[2]。

2 点云数据的处理

从上面的介绍中我们可以知道，点云数据是指在一个三维坐标系统中的具有方向的坐标集，扫描的物体都将会以点的方式记录下来，并且所扫描的每一个点都会有一个立体坐标，在对收集到的点云数据进行整理时，通常要做到以下几个步骤：消除杂音、多视角对齐、简化数据以及多视图三维重建等。

消除杂音就是把收集来的点云数据中的影响计算的不对的数据进行消除。比方说，在进行测量的过程中，三维激光扫描仪将某些不必要的数据采集到了，例如，正在路上行驶的各种交通工具、处于测量范围之内的茂密的植物以及出现在测量范围内的无关路人等等一些对测量结果不起作用的物。诸如此类的数据都是要被消除的[3]。

点云的简化数据就是对在测量中采集而来的庞大的数据进行简化，在测量中收集到的数据量是非常大的，只有通过简化这些收集到的数据才能是接下来的工作更顺利地进行，还可以使最后的数据计算可以更加的便捷。简化数据并不是简单的将数据删减，还要求数据进行简化之后不会对最后的视图重建造成影响，也不会对数据的精确度造成影响。数据的简化一般有两种方法进行选择：平均精简和按距离精简，前者是把点云数据分为若干个小组，然后从每个小组中取一个数据；后者是按某一特定的距离来删除一些点，使点和点的距离不小于某一特定的数值。

多视图三维重建是要把被测量的目标的“庐山真面目”复原回来。为了达到这一目的，上述的简化数据就非常重要了：在上一步骤简化数据的基础之上将所得到的有效数据进行扫描来获得重建后的视图，在这一步要非常注意的一点就是，视图的重建一定要符合重建的原则，不能随心所欲凭直觉去完成视图重建，这样只会使先前的工作功亏一篑。在根据重建规则完成三维视图重建之后得到被测目标的本来面目之后，接下来就能够运用采集到的点云数据来解决问题了。

3 关于测量方面的讨论

提升测量精确度的办法：在正常的测量情形下，三维激光扫描的精度取决于多视角对齐的精度的高低。为了可以提高在扫描的精度，工作人员在测量时可以多角度多方位的进行测量，可以以一点为基点，以其的前后左右不同方向来进行测量，以得到更加精确地测量数据，可以将相交叉的区域进行多次测量，提高精确度。在此次的地面型三维激光测量中，我们采用的是设置控制点法，这样就可以在上述的相交叉区域设置控制点，实现测量的精确性。在我们的实践中可以很明确的发现，运用上述方法来进行数据收集时，可以很好的提高测量的精确度，以此来满足下一步骤的要求。

坐标系相一致：在上文中我们可以知道三维激光扫描采用的坐标系是围绕扫描仪建立起来的一个坐标系，这就必须有一个坐标系可以将这些彼此不相互联系的坐标系联系在一起。这样就只要将上文中提到的控制点建立在相对应的位置即可，设置坐标系中的控制点时要注意两部分内容：设置控制点的密集程度和如何设置控制点位置。这项工作的成功与否会对接下来的工作具有很大的影响。

三维激光扫描的结果输出：选择不同的数据处理软件得到的结果也会有差异。假如工作人员在点云数据的选择了用POLY WORKS软件，这样就会有非常多的结果输出。例如某些点的坐标数据、被测物体的立体结构等。POLY WORKS这个三维扫描软件仍然有其弊端，会限制测量的进行，但是，应用者可以根据个人的应用要求来进行编码，使这个三维扫描软件能够符合应用者的需求，这个软件可以说还是很灵活的。

4 结语

此文章探究和分析了三维激光扫描技术对地形地质测量的应用，在实践和研究的过程中我们可以发现，三维激光扫描技术在地质地形的测量中不仅可以降低测量成本还可以提高测量效率，由此我们可以认识到三维激光扫描技术的应用在未来的地形地质的勘测中是很有帮助的。随着我国科研的能力的不断发展，这项技术也必然获得发展。当然，这项技术还是存在一些问题的：在本次勘测中，我们选取的是较为平坦的区域作为测量的地点，但是还是会存在盲点，导致最后数据的采集不够完整，对接下来的工作造成影响。因此，三维激光扫描技术完善的方法还需要我们不断的去探寻。

[1]蒋明灿.三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用[J].资源信息与工程,2017,(06):130-131.

[2]徐子红.基于三维激光扫描技术的地形测量一体化应用研究[J].山东工业技术,2017,(08):112-113.

[3]陈志谋.三维激光扫描仪在地质灾害地形测绘中的应用[J].电子技术与软件工程,2016,(18):129.