張忠軒

摘 要：三維激光掃描技術(shù)也被人稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它作為立體掃描技術(shù)，可以全自動(dòng)來獲得數(shù)據(jù)，并且精度也比較的高，因此十分的先進(jìn)，但是在地形測量中應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)還存在著一些問題，比如存在死角或者數(shù)據(jù)破損等等，這樣就會(huì)影響到下一步工作的進(jìn)行，因此就需要引起人們足夠的重視。本文對三維激光掃描的基本理論做了簡單的介紹，然后具體分析了三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用分析，希望可以提供一些有價(jià)值的參考意見。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描系統(tǒng)；地形測量；應(yīng)用分析

三維激光掃描技術(shù)革新了測繪技術(shù)，它在很大程度上促進(jìn)了測繪數(shù)據(jù)獲取方法、處理方法以及服務(wù)能力和水平的發(fā)展。點(diǎn)云數(shù)據(jù)指的是采用三維激光掃描得來的一些數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要是結(jié)合了大量的掃描離散點(diǎn)。三維激光掃描具有較好的實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性和適應(yīng)性，因此就可以在簡單的處理之后，直接使用三維激光掃描數(shù)據(jù)，這樣就可以省去很多的時(shí)間和精力；采用三維激光掃描不需要接觸到被測物體，可以直接應(yīng)用在很多的復(fù)雜環(huán)境中；如果想要發(fā)揮出更多和更強(qiáng)的效能，就可以有機(jī)的結(jié)合GPS等先進(jìn)的技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，必將會(huì)應(yīng)用到更多更廣泛的領(lǐng)域之內(nèi)。本文為了能夠?qū)⑷S激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用更加便捷的顯現(xiàn)出來，采用了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，并且討論了可能出現(xiàn)在測量中一些問題。

1 三維激光掃描系統(tǒng)

在通常情況下，可以將三維激光掃描儀分為這幾種：機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)以及地面型激光掃描系統(tǒng)等等，這種劃分的依據(jù)是掃面平臺(tái)的不同。本次選用的是地面型三維激光掃描系統(tǒng)來進(jìn)行地形測量，地面型三維激光掃描系統(tǒng)包括著很多個(gè)方面的部分，比如三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、軟件控制平臺(tái)、電源、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等等。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如下：三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)射器可以將一個(gè)激光脈沖信號發(fā)射出去，然后物體的表面會(huì)對這個(gè)激光脈沖信號進(jìn)行一個(gè)漫反射作用，然后這些脈沖信號會(huì)沿著同樣的路徑返回到接收器中，那么就可以對目標(biāo)點(diǎn)和掃描儀之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。同時(shí)，每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值由精密時(shí)鐘控制編碼器來進(jìn)行測量；三維激光掃描測量采用的坐標(biāo)系往往是儀器自定義的，橫向掃描面內(nèi)有X和Y軸，兩者是互相垂直的關(guān)系，z軸垂直于橫向掃描面，如下圖所以，依據(jù)這個(gè)圖例，就可以將目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)求出來。

那么對激光脈沖從發(fā)出到接收之間的時(shí)間延遲進(jìn)行檢查，就可以得出公式1中的距離。得出了發(fā)射脈沖往返的時(shí)間間隔，就可以有效的計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)和掃描儀之間的距離：S=1/2CtL。C指的是光速。

2 電云數(shù)據(jù)處理

從上文我們已將了解到，點(diǎn)云數(shù)據(jù)指的就是三維激光掃描系統(tǒng)所采集來的數(shù)據(jù)，在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，一般分為這幾個(gè)方面的內(nèi)容：去除噪聲、多視對齊、精簡數(shù)據(jù)以及重構(gòu)畫面等。

去除噪聲指的是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能存在的錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除；比如，在對地形進(jìn)行掃描的時(shí)候，掃描儀會(huì)采集到一些不需要的數(shù)據(jù)，比如飛速前進(jìn)的車輛、行人以及高大的樹木等等；這些沒有用處的數(shù)據(jù)是需要被刪除的。

點(diǎn)云的精簡數(shù)據(jù)指的是因?yàn)辄c(diǎn)云往往十分的龐大，這樣就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的精簡工作，需要特別注意的時(shí)候，精簡的時(shí)候不能夠影響到畫面的重構(gòu)，并且還不能影響到基本的精度要求；一般可以采取兩種方法來進(jìn)行精簡數(shù)據(jù)，一種是平均精簡，指的是將原來的點(diǎn)云設(shè)置為n個(gè)小組，然后每一個(gè)小組中留下一個(gè)；另一種方法是按距離精簡，指的是對一些點(diǎn)進(jìn)行刪除，刪除的目的是為了讓點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離不小于某值。

曲面重構(gòu)的目的是為了將掃描目標(biāo)的本來面目給真實(shí)的還原出來，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，在還原掃描目標(biāo)的本來面目時(shí)，可以有效的采用掃描數(shù)據(jù)。通?？梢詫⑶娣譃閹讉€(gè)種類，三角形網(wǎng)格、細(xì)分畫面、明確的函數(shù)表示、參數(shù)曲面、暗含的函數(shù)表示、曲化的面片等等。

采用了掃描出來的數(shù)據(jù)來重構(gòu)曲面之后，就可以進(jìn)行三維建模的規(guī)則，從而將掃描目標(biāo)的本來面目給還原出來?；就瓿闪它c(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟之后，在解決問題的時(shí)候就可以充分的利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來進(jìn)行。

3 相關(guān)問題討論

提高精度的一種方法：在通常情況下，多視對齊的精度在很大程度上決定著三維掃描的精度；在掃描的時(shí)候可以采用不同的位置來進(jìn)行，并且站在多個(gè)視角上進(jìn)行考慮，并且要按照大于等于百分之十的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置相連區(qū)域的重疊度；如果采用的是POLY WORKS軟件，那么要按照10毫米的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置直接對齊的精度。要想實(shí)現(xiàn)精度提高的目的，在本項(xiàng)目中采用了設(shè)置控制點(diǎn)法，然后將掃描議可以識別的帶有三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)控制點(diǎn)設(shè)置在重疊區(qū)域就可以實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)踐研究證明，如果將控制點(diǎn)信息加入到使用POLY WORKS軟件來進(jìn)行對齊時(shí)，那么就可以有效的提高精度，從而保證對齊精度能夠滿足相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

坐標(biāo)系一致：因?yàn)槿S激光掃描采用的坐標(biāo)系都是獨(dú)立坐標(biāo)系，并且是圍繞著掃描儀建立起來的，那么就需要在一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系中融合這些獨(dú)立的坐標(biāo)系；只需要將公共控制點(diǎn)設(shè)置在相應(yīng)的位置，那么點(diǎn)云的一致性就可以通過POLY WORKS軟件來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置控制點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是控制點(diǎn)的密度，二是位置的布設(shè)；這兩個(gè)方面都十分的重要，因?yàn)楹笃跀?shù)據(jù)處理的精度將會(huì)受到布設(shè)位置合理性與布設(shè)點(diǎn)的密度等方面的直接影響。

三維激光掃描的成果輸出：如果在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)方面，采用的是POLY WORKS軟件，那么就會(huì)有很多的成果輸出來，比如一些三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、掃描對象的三維模型等。POLY WORKS軟件在某些方面還存在著局限性，會(huì)影響到很多方面的應(yīng)用，但是這個(gè)軟件的接口功能十分的豐富，用戶可以依據(jù)自己的要求來編碼滿足自己需要和愛好的特殊應(yīng)用，這也是軟件發(fā)展的一個(gè)趨勢。

4 結(jié)語

本文簡單分析了三維激光掃描系統(tǒng)在地形測量中的應(yīng)用，通過實(shí)踐研究證明，在地形測量中應(yīng)用三維激光掃描系統(tǒng)是十分可行的，但是還存在著一些問題。本次選用的是比較平緩的區(qū)域作為試驗(yàn)的場地，但是還是會(huì)出現(xiàn)一些掃描的死角，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不完整等情況，這樣就會(huì)對下一步的工作產(chǎn)生不利的影響。所以，未來研究的重點(diǎn)就是對這些缺損的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修復(fù)。

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