林　波

(龍巖市程安測繪有限公司，福建 龍巖 364000)

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地面三維激光掃描測量技術(shù)新探

林波

(龍巖市程安測繪有限公司，福建 龍巖 364000)

摘要：空間信息獲取技術(shù)是當前地球空間技術(shù)研究的熱門領(lǐng)域，由于自然界空間具有復雜性，所以傳統(tǒng)的地面三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)不能滿足科學發(fā)展的需要，所采集的數(shù)據(jù)采樣率低，難以反映地面空間的真實情況，所以地面三維激光掃描測量技術(shù)應運而生，以其快速、無接觸、精確等優(yōu)勢在地面空間數(shù)據(jù)的搜集中發(fā)揮著重要的作用。人們稱地面三維激光掃描測量技術(shù)成為繼GPS技術(shù)以后在測繪領(lǐng)域中又一次的技術(shù)革命。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描；測量技術(shù)；技術(shù)

地面三維激光掃描技術(shù)主要應用于地面空間數(shù)據(jù)的采集，傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)暴露出來越來越多的缺點，與地面三維激光掃面測量技術(shù)相比，具有局限性和落后性。自從地面三維激光掃描測量技術(shù)進入到我國以來，經(jīng)過了十幾年的研究，現(xiàn)已經(jīng)初具規(guī)模和使用效果，但是在一些技術(shù)應用過程中仍然是存在著一些問題，需要我們進一步研究和解決。

1地面三維激光掃描測量技術(shù)的基本情況

1.1三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)及其主要特征

地面三維激光掃描測量技術(shù)作為三維空間數(shù)據(jù)采集運用到的技術(shù)之一，在近幾年來空間數(shù)據(jù)的采集過程中發(fā)揮了重要的作用，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不足?，F(xiàn)階段我國三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的主要類型包括：①大地測量技術(shù)，主要包括經(jīng)緯儀、水準儀和全站儀等設備的應用；②天文測量技術(shù)；③衛(wèi)星定位技術(shù)，也就是GPS系統(tǒng)；④慣性測量技術(shù)，慣性測量儀主要由加速度計、陀螺穩(wěn)定平臺和微機這三部分組成，只需要把它安裝在運動體上，就可以測定運動體所處的經(jīng)緯度、高度、重力異常、垂線偏差分量等大地元素；⑤激光雷達測量技術(shù)。這些技術(shù)運用在不同的領(lǐng)域，但都是在隨時搜集和接受大地空間數(shù)據(jù)[1]。

此外三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)的主要特征有四個方面，下面進行詳細的介紹。

①采集技術(shù)集成一體化。在傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)采集和測量的過程中，主要是離散式的測量、計算、繪圖和用圖的過程，這幾個環(huán)節(jié)之間彼此相互獨立、互不關(guān)聯(lián)。比如在對野外這一環(huán)節(jié)進行測量時，就可從測角、測距和水準這三個角度進行測量。而現(xiàn)代地面三維空間技術(shù)是集成測繪技術(shù)，它的外業(yè)、內(nèi)業(yè)和用圖實現(xiàn)了一體化和集成化。而且在測繪的過程中，主要是使用現(xiàn)代電子測繪儀器，比如GPS接收器、全站儀等設備，實現(xiàn)了各個環(huán)節(jié)和步驟之間的合作和集成一體化。

②觀測的目標動態(tài)化。在傳統(tǒng)的測繪中，是把終點建立在模擬地形圖之上，只需要對數(shù)據(jù)和信息進行簡單的處理；而現(xiàn)代測繪技術(shù)對數(shù)據(jù)的收集和處理有了更高的要求。特別是在工業(yè)生產(chǎn)的測量中。已經(jīng)不單單是土木測量的范圍，而是要對土木與非土木同時進行測量，還要對目標內(nèi)的一切運動體和相關(guān)的數(shù)字、物理、化學等特性指標進行檢測。

③實時化。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量技術(shù)具有一定的滯后性，主要體現(xiàn)在測量建立對外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的后期處理過程中，從觀測到獲得三維坐標具有一定的時滯。但是在實際的應用過程中，現(xiàn)代電機的配套安裝、自動化生產(chǎn)線的檢測、軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域需要測繪能夠?qū)崟r進行，顯然傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)具有落后性，所以現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)技術(shù)彌補了這一不足，能夠?qū)崟r、準確的確定三維空間坐標[2]。

④成果數(shù)字化。在現(xiàn)代社會中，任何一項高科技的應用都離不開計算機技術(shù)和電子智能技術(shù)的應用，所以現(xiàn)代空間三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)仍然需要計算機技術(shù)，使其測量成果實現(xiàn)數(shù)字化。在傳統(tǒng)的測繪過程中，習慣于把終點建立在模擬地形圖的基礎(chǔ)上，雖然地質(zhì)地形圖具有直觀、使用方便的特點，但是測圖與需要的圖之間總是存在差距。比如測圖精確度不高、圖上的數(shù)據(jù)和信息不全等缺點，這時數(shù)字化在地面三維空間數(shù)據(jù)采集的過程中就可以改變上述的問題，尤其是應用于野外大比例尺測圖技術(shù)，可以保證地形點具有足夠的空間。

1.2地面三維激光掃描測量技術(shù)的原理

地面三維激光掃描測量技術(shù)的核心是激光反射鏡、激光發(fā)射器、光機電自動傳感裝置、激光自適應聚焦控制單元和CCD 技術(shù)等。但是由于三維激光掃描儀具有不同類型的種類，而且這些儀器之間工作原理也是不同的，經(jīng)過總結(jié)，常見的原理大致有三種類型。①運用相位干涉的方法進行掃描，使用激光連續(xù)波發(fā)射，利用光學干涉原理來確定干涉相位的測量方法。這樣的測量使用于近距離的測量，測量范圍一般小于50米，采樣點的速率可以達到10000點-500000點/秒。②使用脈沖測距技術(shù)，主要是從固定中心沿視線測量距離，通常的測距大于100米，采樣速率在1000點/秒以上。③還可以利用立體相機和機構(gòu)化光源，可以獲得兩條光線信息，從而建立立體投影關(guān)系。這種方法適用于近距離的測量，測量范圍在20米以內(nèi)，采樣點的速率是100點/秒。

就目前的地面三維激光掃描測量技術(shù)來看，大多數(shù)激光掃描儀所使用的工作原理是脈沖激光測距的方法。主要是使用無接觸式高速激光進行測量，通過點云形式獲得掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。運用這一工作原理的儀器主要包括掃描系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)以及支架系統(tǒng)，還包括集成數(shù)字攝影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。常見的掃描系統(tǒng)中的LMS-Z210、GS100、ILRIS 3D、GS200等都是應用的這種工作原理。使用這種三維激光掃面技術(shù)的工作原理的三維激光掃描儀，主要采用 TOF脈沖測距法，這是一種具有高速激光測時、測距的技術(shù)。這種技術(shù)獲取掃描目標點云坐標的工作原理，是根據(jù)儀器內(nèi)部精密的測量系統(tǒng)獲得發(fā)射出去的激光光束的水平向角度α和垂直方向角度θ，由脈沖激光發(fā)射到儀器的距離是s，這時可以根據(jù)掃描反射接收的激光強度對掃描點實施顏色灰度的匹配工作。

圖1三維坐標獲取

2地面三維激光掃描測量技術(shù)的特點

2.1數(shù)據(jù)采樣率高

就目前看來，采用脈沖激光工作原理和時間激光工作原理的三維激光掃描測量技術(shù)，這兩種的掃描儀采樣點的速率可以達到數(shù)千點/秒，同時適用于遠距離的采集；使用相位激光的工作原理的三維激光掃描儀可以達到數(shù)十萬點/秒，所以現(xiàn)代的地面數(shù)據(jù)收集技術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。

2.2非接觸測量

地面三維激光掃描測量技術(shù)采用的是非接觸掃描目標的方式，進行測量。非接觸的方式不需要反射棱鏡，而且對掃描目標物體的表面不需要任何的處理。因為采用直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，以這樣的方式采集的數(shù)據(jù)可以保證真實可靠。非接觸測量可以應用于解決危險目標、人員難以達到的位置和環(huán)境比較惡劣的情況。

2.3高分標率、高精度的特點

地面三維激光掃描測量技術(shù)可以實現(xiàn)快速、高精度獲取海量的地面空間三維數(shù)據(jù)，并且可以針對掃描目標，實施高密度的三維數(shù)據(jù)采集，這樣可以實現(xiàn)高分辨率、高精度的特點。

2.4主動發(fā)射掃描光源

三維激光掃描測量術(shù)是采用主動發(fā)射掃描光源或者是激光，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標物體的空間數(shù)據(jù)信息。所以在實際的掃描工作中，三維激光掃描測量技術(shù)可以打破時間和掃描環(huán)境空間的限制，實現(xiàn)主動發(fā)射掃描光源的工作。

3地面三維激光掃描測量技術(shù)的應用

地面三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)搜集技術(shù)來說，能夠彌補傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足，同時在數(shù)據(jù)采集過程中，變得更加精確和快速，實現(xiàn)了地面數(shù)據(jù)采集的完整和全面。而且隨著地面三維激光掃描測量技術(shù)研究的不斷深入，它的應用領(lǐng)域和應用深度在不斷加深。

3.1工程方面的應用

地面三維激光掃描測量技術(shù)在工程方面的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

①大型土木工程測量。在大型土木工程中的應用主要是針對道路、橋梁、隧道等土木工程的建設，在施工前的準備階段，要獲得精細的地形圖，而且在施工工程的中期和后期完成階段，要建立三維模型，以此作為施工的環(huán)境和地質(zhì)分析的依據(jù)，對施工進行指導和質(zhì)量的監(jiān)督[3]。

②地質(zhì)的應用。在我國國內(nèi)，地質(zhì)方面的工作主要包括地質(zhì)編錄、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)露頭研究、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、邊坡安全檢測等，由于使用傳統(tǒng)的單點測量效率比較低，而且安全性和精確度都不高，所以就是用地面三維激光掃描測量技術(shù)，可以充分以安全高效、非接觸、精確的特點獲得目標的三維坐標，從而建立三維模型。

③復雜工業(yè)設備、高壓輸電線路測量。復雜的工業(yè)設備管線數(shù)量非常多，縱橫交錯，需要對這些管線進行規(guī)劃和設計，以便于日后設備的維護和管線的替換。利用地面三維激光掃描測量技術(shù)可以以高效精確的特征生成3D模型，從而為這些復雜的大型設備建立可視化的三維模型。

3.2土石方的體積測量

在土石方體積測量的過程中，可以根據(jù)地面三維激光掃描測量技術(shù)獲得高精度三維點的云數(shù)據(jù)，這樣可以輕松精確的獲得目標物的體積大小。 礦山開挖的土石方體積測量、大型艙容測量、大型存儲罐測量和單株樹木體積測量。

3.3文物保護工作的應用

文物保護工作是一項非常復雜而且細致的工作，文物的保護不僅僅是簡單的文物保護工作，還包括對文物的修護工作。因為文物歷史比較久遠，很多時候文物不能直接接觸，所以在文物測量是要通過非接觸的方式進行。所以要使用地面三維激光掃描測量技術(shù)，可以建立文物表面的精細模型，這樣就可以不對文物接觸，而是可以對模型的任意位置進行測量。這樣也為文物遭到破壞的情況下，可以技術(shù)提供修復和恢復文物的數(shù)據(jù)。比如敦煌石窟數(shù)字化、大昭寺數(shù)字化、故宮數(shù)字化等都是對地面三維激光掃描測量技術(shù)的應用。

4結(jié)語

地面三維激光掃描測量技術(shù)是對傳統(tǒng)地面數(shù)據(jù)采集技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，是空間點陣掃描技術(shù)和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一項新測繪技術(shù)。隨著地面三維激光掃描測量技術(shù)研究的深入，它的應用范圍不斷擴大，在工程測量、文物保護、土石方體積的計算等領(lǐng)域都有重要的作用，而且還對地面三維空間的數(shù)據(jù)收集發(fā)揮了重要的作用，以高精度、快速的特點進行數(shù)據(jù)的搜集和分析。所以我們要做好地面三維激光掃描測量技術(shù)的研究，不斷促進我國空間信息科學技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]徐柏松.三維激光掃描測量技術(shù)在海港礁石區(qū)測量中的應用[J].港工技術(shù),2012,49(4):61-63.

[2]梁建軍.地面三維激光掃描建模在建筑物測繪中的應用[J].商品與質(zhì)量·學術(shù)觀察,2014(5):210-212.

[3]柴炳陽,邵向楠.基于三維激光掃描的路面采樣測量技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導報,2013(20):123-124.

(責任編輯侯中巖)

中圖分類號：P22

文獻標識碼：B

文章編號：1673-5382(2015)04-0090-03

作者簡介：林波(1988-)，女，浙江舟山人，龍巖市程安測繪有限公司測繪工程助理工程師.

收稿日期：2015-05-27