地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

周京兵

四川省蜀通岩土工程公司，四川成都 610000

所谓地面三维激光扫描主要是通过激光进行测距扫描，扫描仪利用伺服马达以及扫描镜根据点云密度以及扫描范围的界定来获取指定测量目标的纹理信息和三维坐标，从而重现三维场景。这项技术是工程测绘的一次重要技术变革，有效地提高了工程测量的效率和精确程度，其应用范围也日益广泛。我国主要将这项技术用于三维建模、道路测量、地图测绘以及土方计算等领域，并且在文物的测绘保护工作中也进行了应用尝试，取得了比较理想的效果。随着技术的不断进步，这种新型测绘技术的应用方式和工艺流程都将得到进一步的发展和提高，其推广应用范围将更加广泛，对我国工程测量技术整体水平的提高具有十分重要的意义。

1 三维地面激光扫描技术概述

地面三维激光扫描的主要技术原理就是利用激光进行扫描测距，而其工作过程也就是对数据信息反复进行采集和分析处理，并根据接收的扫描反射激光强度的不同来匹配相应的灰度。在激光扫描仪中，测量时的采样点也就是局部的系统坐标，而坐标原点则在扫描仪内部。

三维地面激光扫描的测量方式主要包括固定式和移动式两种，其中，激光扫描的固定式系统与目前常用的全站仪比较类似，其构成部件有控制系统、激光扫描仪、数码相机以及后期处理的相关软件系统等。与传统全站仪的不同之处在于，激光固定式扫描仪并不仅仅对单点进行三维坐标的采集，其针对的是点云数据，扫描的范围更广，速度更快，而且具有更高的精度，能够更好地适应野外操作的需要。而三维激光移动式扫描系统则是以车载平台为依托，综合运用激光扫描技术和GPS、IMU技术来进行测绘工作。目前，固定式三维地面激光扫描的应用相对比较成熟，应用范围也比较广泛，而移动式技术还需要进一步的探索研究，因此，本文将对固定式技术的应用进行重点分析，并探讨移动式技术在发展中的主要问题。

2 三维地面激光固定式扫描技术在工程测量工作中的应用流程

目前我国主要是在三维建模、道路测量、测绘地形图以及计算土方量等工程测量中工作应用三维激光扫描。该技术的应用工艺流程主要有准备工作、获取和配准点云数据以及对点云数据进行简化、去噪和编辑和处理这几个主要环节。

2.1 应用准备阶段的主要工作

应用三维激光扫描技术前应先详细考察测区的环境条件，并确定标靶以及扫描仪的布设位置。在选择布设位置时应保证所设置的扫描站能够获得测量区域的完整数据，在此基础上应尽量减少测站的布设数量，这样可以通过更少的原始数据量来完成测绘工作。在扫描仪工作时，应对测量范围内的特殊地形和地物进行拍照存档，为数据和地形图的后期处理以及修改编辑提供参考依据。

2.2 获取测区的点云数据

所有测站都应精确详细的扫描3到4个标靶，从而准确确定标靶控制的中心位置。然后通过无反射全站仪来对标靶中心的三维坐标进行精确测定，以便为后续的数据测量提供配准依据。布置标靶时应注意要分布均匀，并与扫描仪保持适当的距离。

2.3 配准点云数据

点云数据配准时，首先在各个扫描区布设控制标靶，保证每两个相邻的点云数据都包括3个以上的同名标靶作为控制点。数据配准时可以采取绝对以及相对配准这两种不同的方式。所谓相对配准也就是将某扫描站为坐标系基准，而对其他扫描站进行坐标系统转换；而绝对配准则是指通过常规测量与扫描仪测量的综合运用，精确测量所有扫描站标靶的三维坐标，从而获得标靶在工程坐标系统中的绝对坐标，这样在点云数据配准就可以直接将各测站统一转换为绝对坐标。

2.4 分析处理点云数据

对点云数据进行分析处理后就可以应用在土方量计算、三维建模、道路测量以及测绘地形图等测绘工程中。

3 三维地面激光固定式扫描技术在工程测量工作中的应用分析

3.1 应用于测绘地形图

对断壁悬崖等特殊地形进行测绘时，传统的测绘技术在应用上难度较大，而通过三维激光扫描就可以在无接触的情况完成对地貌地物的测绘任务。应用三维激光技术测绘地形图的工艺流程包括：首先处理所获得的点云数据，然后对地貌地物等特征要素进行提取，最后进行编辑绘制就可以完成地形图的绘制工作。

3.2 应用于土方工程的计算工作

目前在土方工程中计算土方量时相互要依赖于全站仪、GPS-RTK以及水准仪等仪器设备，通过对地表特征点的测绘获取其三维坐标参数并构建TIN，然后对土方量进行计算。这种方法需要采集大量野外散点，不仅作业难度比较大，而且准确性也比较差。应用三维激光扫描后，测绘工作的难度和工作量都将明显降低，同时其计算的准确性也更高。在土方量计算中应用该技术时，首先应对点云数据进行分析处理，完成基准面的构建，并剔除地物，然后再利用生成DEM来对土方量进行精确计算。

3.3 应用于道路工程的测量工作

在道路工程的测量中，其主要任务是获得工程项目的横纵断面以及工程样图。传统的测绘工作需要依赖水准器等设备对道路高程进行逐点的测绘，其工作量和测绘难度都比较大，还会受到内业处理效率的制约。而通过三维激光扫描对道路工程进行横纵断面扫描获得工程测绘样图，不仅工作量明显减少，而且测绘效率也提高了4倍左右。应用该技术进行道路工程测量的主要工艺流程包括：首先分析处理点云数据，然后对其进行三维坐标转换，根据一定的间隔从点云中提取出绘图所需要三维坐标参数。在等高线自动生成后，就可以完成道路工程的横纵断面以及工程样图的绘制工作。

3.4 应用于三维模型的构建

由于三维激光扫描具有构建高精度三维模型的功能，因此可以应用在文物保护工作等方面。利用三维地面激光扫描可以在与文物表面无接触的情况下获得相关点云数据，并构建三维高精模型，对文物细部特征进行准确的还原，可以通过模型来完成任意尺寸和任意点的测量工作，避免测量时损伤文物。

应用该技术测量文物时的工艺流程主要包括建模以及映射纹理特征这两部分。首先，在对点云数据进行处理分析的基础上构建三维模型。建模方式主要有两种：其一，利用点云数据进行三角网模型的构建。建模时要按照三维模型对精度的要求来具体确定点云密度，同时要综合考虑三角网独立进行展示运行的需要，获取足够数量的纹理数据。其二，利用3dsmax以殿宇数据为基础来构建三维模型，对规则形体进行剖面扫描，从而根据精度要求制作规则的三维模型。而三维模型要获得真实感则必须通过纹理映射。其主要是通过扫描仪上所配备的数码相机来实现纹理信息的获取，并在模型表面进行纹理映射处理。同时还要通过匹配、缩放以及纠正等技术手段来提高纹理的美观性和真实感。

4 探索三维地面激光的移动式扫描技术的应用

虽然目前三维地面激光扫描在各种工程测量领域的应用已经十分广泛，然而移动式激光扫描技术的应用还需要进一步地研究探索。利用车载激光扫描技术能够在车辆行进的过程中对较大范围内的点云数据进行快速的获取。移动式激光扫描技术通过IMU以及GPS来实现快速连续的对大范围内的地物数据的采集，其缺点在于点云的密度要低于固定式激光扫描。

目前制约了移动式激光扫描应用的主要难点在于由于民用IMU技术的限制比较大，GPS在建筑物比较密集的地区会发生失锁问题以及点云密度不高，造成其整体精度相对较低。同时由于对移动式激光扫描所获得的数据进行有效处理的软件系统还不成熟，在点云数据的分类管理以及纹理匹配等方面的技术水平还比较低，因此，难以有效对大范围数据三维坐标进行建模。这些问题还需要通过进一步的技术研发来加以解决。

5 结语

地面三维激光扫描是一种先进的在三维空间内获得数据信息的技术手段，与传统的工程测量方法相比，该技术能够迅速无接触的获取高精度和高密度的地物数据，有效地提高了工程测量的效率和精度，其应用前景十分广阔。但我国对该技术的应用还处于发展阶段，应用方法和工艺流程还不完善，缺乏统一的测量检定标准。而且相关的技术还主要依赖于进口，应用成本比较高，限制了应用范围的扩大。同时该技术的应用需要相关内业处理软件支撑，我国在相关软硬件的研发上还有较大的差距。因此，相关的测量单位和研究人员要加大对该技术的研究力度，开发高精度的国产仪器设备，降低应用成本。同时要制定统一的技术标准和应用规范，大力开发相关的内业处理系统，提高数据的处理分析效率，从而充分发挥该技术应有的作用。