三维激光扫描技术在现代测绘中的应用分析

三维激光扫描技术在现代测绘中的应用分析

陈艺豪

机械工业第四设计研究院有限公司  河南洛阳 471000

摘要：传统的测绘方法存在精度和外业量大等缺点，随着地形测绘任务质量要求的逐渐提高，急需智能化和高效化的测绘技术。近年来，三维激光扫描技术以其高精度、全自动、实景复制的特点受到测量领域的青睐。

关键词：三维激光扫描技术；现代测绘；应用

引言

近年来，随着计算机图形和计算机视觉学的发展，三维扫描重建技术在多个领域(如工业测量、地形地貌的测绘、自动导航、无人机航拍及采空区调查、古建筑还原、文物修复等)逐渐展现出优势。随着测绘技术的发展，三维激光扫描技术在越来越多的测绘领域中发挥关键作用，可以直接获得待测物体表面的高精度离散点云模型是其关键特点。

1技术原理

三维扫描技术又称“三维实景复制”技术，主要运用激光设备实现待测区域的实景扫描，通过实景扫描可以抓取待测区域环境要素、控制节点点位信息以及被测物体表面的反射强度和颜色信息，生成空间三维点云，即可将待测绘区域的环境、建筑、设备等数字化。三维激光扫描设备主要由激光测距仪、反光棱镜、全息数码相机组成。激光测距仪采用脉冲式测量原理，可以主动发射激光，同时接受来自自然物体的反射信号，实现距离、水平角、竖直角测量，从而计算出被扫描点与测站原点之间的坐标差，若测站点和一个定向点的坐标为已知值，则可以计算出每一扫描点的三维坐标。

2三维激光扫描技术在现代测绘中的应用

2.1城市规划测绘

城市规划需要以地形图为底图，传统的地形图更新周期慢，地图信息常与实际情况不符，其精度和信息量都非常有限，修测工作也耗时费力。利用三维激光扫描技术能够实时采集目标物体的带有精确坐标的、高密度的三维空间点云数据，根据点云数据再复建出物体的三维模型，在精确的三维数字环境中进行空间规划分析要比二维地图信息高效直观，三维激光扫描数据经处理后可生成高精度的DSM(数字地面模型)、DEM(数字高程模型)、DOM(数字正射影像图)等产品，点云数据与影像进行配准还能得到物体高精度的三维立体模型。此外，利用三维激光扫描技术建立的DSM(数字地表模型)还能解决城市规划中各项用地的控制标高问题，使得城市建筑、道路、排水的规划标高相互协调，更加科学合理地进行城市规划。

2.2三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用

三维激光扫描技术所形成的数字化影像与AutoCAD及3dMax具有良好的兼容性，给测绘成果矢量化输出工作带来了极大便利。首先，通过对激光扫描模型俯视图、主视图、侧视图进行边界量化，实现建筑模型整体边界平顺且完整，俯视图、主视图、侧视图均有一个共同特征，即同一面可投影在同一曲线或直线上，便于统一校准与修正。之后即可输出CAD矢量成果图，以及边界平滑、统一，结构整齐、完整的CAD三维矢量模型。此外，运用点云数据构造的二维线段数据也是基于AutoCAD平台进行的，其导出的数据可以是DXF、DWG等通用格式，具有很好的兼容性。同时，也可运用Pointcloud软件基于点云数据进行三维建模，其建模后的成果依然可导出DXF格式，运用AutoCAD查看修改，进一步提高成果输出效率。三维激光扫描技术不仅可以实现建筑物总体矢量化输出，而且对于细部结构的矢量化输出也具有很大优势。由于三维激光扫描技术的成像是基于点云坐标投影实现的，对于建筑立面，这种同一坐标平面的数据提取极为便利，仅需固定X坐标值，即可提取该平面所有影像元素，根据平面影像提取成果导入CAD中的效果图，即可运用AutoCAD软件完成建筑物窗户、门、梁、柱等结构的矢量化，最终形成整个立面的矢量化平面。由于每一组CAD导入数据均为带基点(坐标)导入，在各个建筑立面矢量化完成后，即可实现建筑模型的三维输出，最终得到矢量化、标准化的建筑测绘模型。

2.3三维激光扫描技术在隧道竣工测量中的应用

1.数据预处理与坐标配准，测量数据导入天宝RealWorks处理软件后，利用软件提供的配准方式对测量数据进行预处理和配准，使各测站之间的数据拼合成一个整体，并从测站坐标系纠正到统一的地理坐标系中。由于球形靶标拟合球心坐标在算法上具有更高的精度，因此隧道竣工测量中选用球形靶标进行测站定位。由生成的配准报告可知，绝对坐标配准最大误差约为3mm，符合定位精度要求。2.扫描数据编辑，在扫描仪获得的数据中，由于存在大量不属于隧道管壁的内容，需在软件中手动剔除这些数据。手动剔除需分段编辑、效率较低，本文开发了相应的程序对点云进行剔除，能自动删除大部分无效数据，提高了数据处理的效率，降低了人工劳动强度。3.隧道设计数据导入，为实现隧道扫描数据与设计模型的对比，就需要建立隧道设计的三维模型，首先将隧道中心数据导入RealWorks处理软件，利用每米间隔三维坐标数据生成隧道中心的三维轴线；然后在垂直于轴线的平面上绘制一个标准设计断面；最后RealWorks处理软件根据上述两个要素生成隧道的三维模型。

2.4三维激光扫描技术在地形测量当中的优势

1.测量方法多样灵活:传统测图方法基于控制点坐标采用经纬仪、钢尺、量角器、直尺，手动逐点测量细部点的高程和角度然后人工计算细部点的坐标，再用量角器、直尺、铅笔，在地形图上标注高程，坐标以及绘制地物，标记记号。或者采用全站仪逐点测量细部点的高程和坐标，然后将数据导入到制图软件当中绘制成地形图;而采用三维激光扫描测量可以与传统测量方式相结合提高测量精度，或布设测量控制点在适当位置架设扫描仪，提高测量效率。2.数据获取方式具有优势:传统的测绘方式采用经纬仪需要人工在各个测点竖立标尺以供读取数据测程不超过50m，目视光学目镜读取数据，手动计算测点的高程和坐标，人工读取数据，手动计算高程坐标正确率难以保证，误差大、效率低、作业人员的健康和安全难以得到保证尤其是野外作业时上述弊端尤为明显。

2.5建筑与文物保护测绘

近年来，建筑与文物的信息化、数字化已成为一种趋势，三维激光扫描技术加速推进了此过程的实现，其基于点云数据建立的三维模型可以将建筑与文物的几何、纹理等信息实时记录下来，同时建立数字档案，不仅可以用来保存现状建筑与文物的基础数据，还能以更加直观形象的三维形式进行展示和宣传，这种方式对于建筑与文物的保护以及后期进行修缮和复建都具有十分重要的意义，更重要的是非接触的测量方式避免了传统测量中人为原因造成文物的损坏，而且人身安全也得到很大的保障。

2.6三维激光扫描技术在幕墙中的应用
　　三维激光扫描技术主要应用于幕墙工程中的三大过程，分别是第一阶段土建外墙的垂直度与水平度检测，第二阶段龙骨偏差量的检测，第三阶段幕墙表皮的质量检测。其中第一阶段的外墙检测主要是为了保证龙骨安装的质量，而第二阶段的龙骨检测则是为了满足幕墙安装竣工后的最终质量。三维激光扫描技术在整个过程中主要起到就是监测定位的作用。三个阶段过程中操作手法大致相似，都有外业数据收集、内业数据整理、拟合分析。但是三大过程的测量对象不同，手法也有差别。

3、结语

三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一，伴随着日益增长的三维空间信息需求，三维激光扫描技术将和传统测绘技术相互融合，在现代测绘中得到更加广泛的应用。但该技术目前还处在发展阶段，相关规范和标准还不完善，使用成本也比较高，配套的数据处理系统也不够成熟，相信随着科技的不断发展，这几方面的问题必定会得到解决，从而发挥出其应有的价值。

参考文献

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［2］刘萍．地面三维激光扫描技术在工程测绘中的应用［J］．包钢科技，2015(2):90－92．

［3］杨知景，王红艳，郑伶杰，等．三维激光扫描技术原理及行业应用探讨［J］．测绘与空间地理信息，2018(18):98－99．