地面三维激光扫描测量技术的应用研究

王晶晶

（山东省地质测绘院，山东 济南 250002）

地面三维激光扫描是在现阶段科学技术发展过程中出现的一种新型专业测量技术，相较于传统的人力测量和3S技术来说，利用激光进行数据的测量，不仅在准确性方面有所提升，还可以实现远距离的数据检测，在很大程度上简化了数据测量的流程和步骤，对现阶段的数据测量技术产生了很大的影响。但是其作为一种新型的技术，由于需要相关设备的支撑，在发展的过程中还存在落实方面的问题，这在一定程度上制约了该技术的推广。所以在发展的过程中，需要相关人员加强对地面三维激光测量技术的重视和研究，将现代社会需求与测量技术工作结合起来，推动技术发展的同时促进社会的发展。

1 地面三维激光扫描测量技术概述

1.1 地面三维激光扫描技术的概念

在现阶段社会的发展过程中，科学技术日新月异，在测量扫描技术方面，也出现了各种新型的技术。三维激光扫描测量技术是在激光技术的基础上产生的一种新型测量技术。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。在运行过程中，三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，然后对这些信息进行分析整理，就可以得出对象的具体数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型[1]。相较于传统的测量技术来说，激光测绘技术具有很强的优势性，已经得到了相关人员的重点关注。

1.2 地面三维激光扫描技术的程序和特点

三维激光扫描技术主要通过高速激光扫描测量的方法，对需要扫描的对象进行测量，然后大面积高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据，并且测出测量对象的反射率以及颜色等信息。然后将这些信息传输到计算机等设备中进行具体的分析和整理，从而复制出1∶1的真彩色三维点云模型。该模型中包含着测量对象的各种信息，能够在很大程度上满足测量工作的需要，为后续的业务处理和数据分析等活动都提供了足够数量并且十分精准的数据。而且通过三维激光技术进行测量，还具有快速性、效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化和实时性强等优势[2]。相较于传统的3S测量技术来说，三维激光技术在发展过程中实现了技术的再突破，打破了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶，实现了对测量对象的多点测量。

1.3 激光技术的应用设备和应用环节

在三维技术的发展过程中，相关人员结合激光扫描的特点，研发出了专业的测量设备，即三维激光扫描仪，三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术，是通过激光测距原理瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，并利用三维技术获取的空间点云数据，快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型。三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。这些设备共同组合成了三维激光扫描测量系统，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。该设备主要应用于文物保护、城市建筑测量、地形测绘以及各种工程建设中。

2 地面三维激光扫描测量技术的优势和缺陷

激光扫描技术作为3S测量技术的上位替代，必须要具有很大的优势，才能在现阶段发展过程中快速推进。现阶段的激光扫描技术在发展的过程中克服了传统测量技术只能进行单点测量的问题，可以实现多点同时测量，很大程度上保证了数据的精准性。然而激光测量也存在本身的劣势，相关人员要想将其应用到现代工程检测环节，就需要同时了解其优势和缺陷，这样才能更好地发挥激光扫描的优势，避免在应用环节出现问题。

2.1 地面三维激光扫描测量技术的优势

作为在3S技术基础上提升而来的一种全新的测量技术，地面三维激光主要特点首先是具有较高的精准度，传统的测量技术很容易就会受到外界自然环境的影响，造成测量结果出现偏差，3S测量技术虽然在一定程度上能够规避外在环境以及恶劣天气对实验结果造成的影响，但是其只能实现单点测量，相较于地面三维激光技术的多点测量就存在精准度方面的差距。其次，设备的智能化程度较高。通过三维激光扫描仪进行的测量工作，相关人员只需要设置好参数和测量位置，设备就能够实现自动化运行，在数据检测、数据收集以及数据处理等环节实现全流程的自动化。而且在发展过程中，计算机按照事先设置好的程序进行工作，一旦工作环节出现偏差，还能够自主进行纠正，智能化程度较高。再次，信息收集范围广。地面三维激光扫描技术收集到的信息范围相较于传统的检测技术来说也较为广泛，该技术实现了多点位的测量作业，并且利用激光的性能实现对测量对象全方位检测，能够快速而且准确地收集到大量的数据信息。后台系统在接收到这些信息之后，能够通过相关软件进行自动化的处理，并建立起三维的虚拟模型，更加直观而且全面地展现对象的信息。最后，能够提升测量工作的效率。传统的测量技术在信息收集环节无法甄别错误信息，往往会将收集到的信息全部传输到计算机中，还需要专业的人员进行筛选，这在一定程度上影响了测量工作的效率[3]。地面三维激光测量技术在对大量的信息进行存储的过程中，能够显示出来有问题的数据，帮助相关人员快速筛选信息。而且该技术设备较为简单，测量工作开展方便，能够在很大程度上提升测量的效率。

2.2 地面三维激光扫描技术的缺点

地面三维激光扫描测量技术作为现阶段社会发展过程中出现的新型测绘技术，对测量行业的精度提升很大，具有很强的优势性。但是在其发展过程中，由于技术性等方面的原因，其也存在一些缺陷。首先，作为科学发展的产物，地面激光三维扫描技术具有很强的技术性，需要借助激光扫描仪才能够实现测量作业，所以相关人员在进行测量的过程中就需要花费大量的资金进行设备的购买，而且相应的三维模型建立也需要专业的软件进行操作，也需要一定的成本，前期投入的资金量比较大。其次，技术性较强也带来另一重要问题，这就需要专业技术人员的支撑，激光扫描仪虽然在一定程度上实现了测量作业的自动化，还能够实现问题自动甄别，但是前期的仪器参数设置以及后期的信息筛选甚至是三维模型的建立都需要技术人员的参与，就需要专业的技术支撑。最后，设备的应用环节问题。相较于传统的测量技术来说，三维激光扫描技术发展较晚，专业人员对其的研究还未深入，现阶段激光扫描技术还停留在浅层的利用方面，这就造成技术推广方面存在问题，或者是测量对象错误等问题，也在一定程度上影响了地面三维激光扫描测量技术的应用。然而即便如此，该技术依然具有很强的优势性，其存在的问题相较于其优势可以说是瑕不掩瑜，相关人员在利用的过程中就需要能够针对该技术产生不良影响的各种因素采取必要的预防措施，在避免其缺陷的前提下进行该技术的使用，并在应用环节对其进行完善。

3 地面三维激光扫描测量技术的具体应用

作为测量技术的一种，地面三维激光的功能主要就在于实现对各种工程的测量，从而方便后续工作的开展，所以如何将地面三维激光测量技术应用到现阶段社会的发展过程中才是相关人员需要考虑的问题。相较于传统的测量技术来说，地面三维激光扫描技术具有很强的优势性，在保证质量的同时能显著地提升测量效率，所以在发展的过程中，地面三维激光测量应该成为传统测量技术的上位替代。但是在现阶段的发展过程中，由于实际环境和各种因素的影响，该技术在使用范围方面也会受到一定的限制。现阶段的地面三维激光测量技术主要适配于文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化以及城乡规划等各个环节。

3.1 地形图绘制

在现代社会的发展过程中，为了进一步规划资源利用和促进现代化的发展，相关人员在发展过程中就需要针对地形进行测量，以方便公路铁路以及各种工程的建设。但是由于相关工程结构较为复杂，对质量的需求很高，工作人员就需要在对当地地质以及地形等特征进行了解之后进行工程的建设，这样才能保证工程的质量。地面三维激光测量技术作为先进的测量手段，可以应用在地形图测绘的等高线生成、获取特异点、提取地物与绘制以及编织成图等环节。在提取地物与绘制环节，由于我国的地形复杂多样，山地、丘陵、断壁以及悬崖等较为特殊的区域常规测量手段难以实现对其的测量，就可以通过地面三维激光扫描技术以一种无接触方式实现对该地区的测量。这样一来，就能在很大程度上保证数据测量的完整性。在等高线的绘制方面，等高线作为确定地形图展示实际高度的重要指标，在地形图测绘中具有重要的作用。地面三维激光测量技术可以实现对该区域全程的信息采集，然后经由相关人员对地物、植被进行剔除，借助平均面迭代法计算出平均面[4]。之后在经由专业的设备剔除与平均面有较远距离的数据，重复此操作，就能够得到较为完整的地貌数据。然后就是把抽稀之后所得到的点云数据导入大比例尺数字测图软件当中，便能够自动生成所需要的等高线。相较于传统的测量技术来说，激光测量具有较为明显的优势，在数据的精准度和测量效率方面均有所提升。而在特征点获取环节也需要激光技术的运用。特征点是指实际地形中具有鲜明特点的事物或建筑，运用地面三维激光扫描技术，首先针对区域实际情况进行扫描，该技术就能自动寻找到标志性的建筑物或者是特别容易甄别的地貌。这样一来，就能够为地形图的绘制提供参考点，避免相关测绘环节出现失误。最后就是编制成图环节。地面三维激光测量还具有数据分析系统，通过事先检测到的具体数据，计算机以及专业的系统软件就能在电脑上实现对该区域的建模，然后就可以根据模型进行地形图的绘制。用地面三维激光扫描技术开展地形图测绘，不仅降低了相关人员外景采集的难度，还在很大程度上保证了测量信息的准确性，是对传统地形测绘的巨大提升。

3.2 土方量计算环节

地面三维激光测量技术不仅能适用于地形的测量，还能够应用在工程方面，对土方量进行测量。土方量是指建筑工程施工环节挖土、填土以及运输等环节土的立方米总量，在工程发展过程中具有重要的作用，其精准度直接影响相关建筑工程的质量。在将地面三维测量技术应用到该环节时，首先需要根据工程的实际需要，对土方填挖量进行计算，借助激光技术，收集道路的纵横断。其次在收集边坡以及道路纵横断等各种信息，按照相关的技术指标构建曲面模型，从而将建筑的整体需求展现在模型中，这样一来，相关建筑人员就能够根据模型得到准确而全面的数据，从而降低工程建设环节难度[5]。最后就是将曲面模型和地面模型按比例进行增减计算，激光技术就可以通过计算机以及相关软件计算出土方的量，从而核算土方量是否一致，保证工程的顺利实行。此外，针对建筑工程的基准面也要多加关注，在发展过程中利用激光技术测量出基于工程的高程及边界建立基准面，在处理好点云数据后，将其进行坐标系转换，使之处于工程实地坐标系当中，并通过最小二乘法来完成起算基准面的构建，还可以根据实际情况进行数据的调整。这样一来，就能够在很大程度上保证建筑工程的顺利开展，从而促进建筑事业的发展。

3.3 道路数据测量

现阶段，社会的发展离不开交通事业的支持，道路作为交通系统的基础组成，在社会发展过程中承担着重要的任务。道路对于质量有着较高的要求，而且往往会经过各种复杂的地形以及环境恶劣的地区，这就需要根据实际情况进行工程的建设。将地面三维激光测量技术运用到道路的建设过程中，就能在很大程度上提升道路建设的质量和效率。一方面，针对道路的高程测量，在三维激光扫描出现以前，相关人员在进行道路的高程测量工作时需要耗费大量的精力，还需要借助水准仪以及塔尺等工具进行测量，不仅效率低下，还很容易产生偏差。三维激光扫描技术通过系统自动进行相关数据的扫描，选择出特征点，并计算出特征点之间的距离，然后将这些数据传输到后台处理系统中，进行模型的构建，这样一来，就能够通过模型和实际地形的对照，经过修整之后实现对道路高层的测量。而在道路竣工测量中，传统的测量方法需要大量的设备进行具体数据的收集，工作量十分艰巨，在一定程度上阻碍了工程的发展[6]。将三维激光技术应用到竣工测量中，激光测量仪就能自动对道路样图与纵横断进行测绘，并基于点云数据处理实现坐标系的转换，进而实现三维坐标的自动提取以及道路样图的绘制，在很大程度上提升竣工检测的效率。

3.4 三维建模

传统的测量手段和三维激光测量技术最大的差异就是地面三维激光技术能够对测量对象进行三维建模，将数据转化为直观的图形信息，在保证数据精准度的基础上实现了效率的提升，所以该技术在三维建模方面发展迅速。一方面，借助地面三维激光扫描技术信息收集的广泛性特征，相关人员能够得到海量的测量对象的各种信息以及三维点云数据，为三维真实尺寸场景的制作提供了足够的数据支撑，相关人员能够凭借这些数据，再结合纹理映射所生成的彩色三角网面片，建立起对应各种信息的分块模型，然后将分块模型进行整合，实行边缘模糊化处理之后，就可以构建一个尺寸真实且信息精准的彩色模型，增加了模型制作的精细程度。另一方面，现阶段工业发展过程中的设备越发复杂，传统的建模手段难以满足发展的需要，通过三维激光测量技术的使用，便能得到精确度更高的3D模型，并且还能提供具有可视化效果的三维模型，在很大程度上促进了工业的发展。

4 结束语

在现代社会的发展过程中，由于城市化发展和社会进步的需要，测量技术的重要性与日俱增，地面三维激光测量技术作为现代社会测量技术的重要组成，相较于其他技术来说具有很强的优势，需要相关人员加强对其的重视程度。但是作为新兴的测量技术，要想充分地发挥其功能，相关人员还需要解决该技术在发展过程中存在的问题，并且结合激光技术本身的特点，将其应用在合适的方面，最大程度上发挥出三维激光扫描测量技术的功能和优势，促进我国测量技术的发展进步。