三维激光扫描技术在工程测量中的应用

三维激光扫描技术在工程测量中的应用

张荣

上海星火测绘有限公司   上海市201400

摘要：三维激光扫描技术高效获取复杂地形数据，实现高精度三维建模与地形特征分析，助力工程测量领域发展。

关键词：三维激光扫描；工程测量

一、引言

1.工程测量的发展现状及挑战

随着科技的飞速进步，工程测量领域也经历了从传统的手工测量到数字化、自动化测量的巨大变革。现代工程测量技术广泛应用于土木工程、地质勘探、城市规划、交通建设等多个领域，成为保障工程质量和效率的关键环节。然而，面对日益复杂的工程项目和多样化的地形条件，传统测量手段逐渐显露出其局限性，如测量周期长、劳动强度大、易受环境影响等。特别是在复杂地形工程测量中，传统方法往往难以获得全面、准确的数据，给工程设计和施工带来诸多挑战。

2.三维激光扫描技术的概念与优势

为了克服这些挑战，三维激光扫描技术应运而生。该技术通过发射激光束并接收其反射信号，快速获取目标表面的三维坐标信息，生成高精度的点云数据。与传统测量技术相比，三维激光扫描技术具有显著优势：首先，它能够非接触式测量，有效避免了对测量对象的破坏和人员安全风险；其次，数据采集速度快，能够在短时间内覆盖大面积区域，提高测量效率；再者，数据精度高，能够满足复杂地形下高精度测量的需求；最后，数据处理能力强，能够自动处理大量点云数据，生成三维模型，便于后续分析和应用。

二、三维激光扫描技术概述

1. 三维激光扫描技术的基本原理

激光测距原理

三维激光扫描技术基于激光测距原理进行工作。其基本原理是激光发射器发射一束激光脉冲，当激光脉冲照射到目标物体表面时，部分激光能量会被反射回来。激光接收器接收这些反射回来的激光信号，并记录激光从发射到接收的时间。由于光速是已知的，因此可以通过测量激光脉冲往返的时间差来计算激光发射器与目标物体之间的距离。

点云数据生成机制

在获取了激光发射器与目标物体之间的距离后，结合激光扫描系统的测角装置（如水平角和竖直角），可以确定目标物体表面每个点的三维坐标。随着激光扫描系统的旋转或移动，激光束会按照一定的规律扫描整个目标区域，从而获取该区域表面大量的点的三维坐标信息。这些点的三维坐标数据集合在一起，就形成了目标物体的点云数据。点云数据是三维激光扫描技术的核心输出，它包含了目标物体表面的几何形态、纹理等信息。

2. 三维激光扫描系统的分类

机载型激光扫描系统

机载型激光扫描系统安装在飞机或直升机上，通过空中飞行对地面进行大面积、高效率的三维扫描。它适用于大范围的地形测绘、城市规划、灾害评估等领域。机载型激光扫描系统具有扫描速度快、覆盖面积广等优点，但成本较高，对设备精度和稳定性要求较高。

地面型激光扫描系统（包括移动式和固定式）

地面型激光扫描系统安装在地面平台上，可以对地面或建筑物进行高精度的三维扫描。根据平台的不同，地面型激光扫描系统可以分为移动式和固定式两种。移动式激光扫描系统通常安装在车辆或机器人上，可以实现快速移动和灵活部署；固定式激光扫描系统则通常安装在三脚架或固定平台上，具有更高的稳定性和精度。地面型激光扫描系统广泛应用于建筑、文化遗产保护、灾害调查等领域。

手持型激光扫描系统

手持型激光扫描系统是一种便携式的三维扫描设备，可以方便地携带到现场进行扫描。它通常具有较小的体积和重量，适用于对小型物体或局部区域进行精细扫描。手持型激光扫描系统广泛应用于工业设计、逆向工程、产品检测等领域。

3. 地面型三维激光扫描系统的组成与特点

主要设备介绍

地面型三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、数码相机、旋转平台等设备组成。三维激光扫描仪是系统的核心设备，用于发射激光脉冲并接收反射信号；数码相机用于获取目标物体的纹理信息；旋转平台则用于控制激光扫描仪的旋转和移动，实现对目标区域的全面扫描。

技术优势分析

地面型三维激光扫描系统具有高精度、快速、无需接触等特点。首先，它可以通过非接触式测量获取目标物体的三维坐标信息，避免了传统测量方法中可能存在的接触式测量对测量对象的破坏和人员安全风险。其次，地面型三维激光扫描系统可以快速地获取大量点的三维坐标数据，提高了测量效率。最后，由于采用了先进的激光测距技术和测角技术，地面型三维激光扫描系统具有很高的测量精度和稳定性。这些特点使得地面型三维激光扫描系统成为复杂地形工程测量中不可或缺的工具之一。

三、三维激光扫描技术在复杂地形工程测量中的应用优势

1. 快速性：提高数据采集效率，缩短野外工作时间

在复杂地形工程测量中，传统测量方法往往受限于地形条件、植被覆盖等因素，导致数据采集效率低下，野外工作时间长。而三维激光扫描技术以其非接触、快速扫描的特点，显著提高了数据采集效率。通过一次扫描，即可获取目标区域的大量三维坐标数据，大大缩短了野外工作时间。这种高效的数据采集方式不仅降低了人力成本，还加快了工程测量的进度，为后续工作赢得了宝贵时间。

2.

采样率高：覆盖面积大，单次扫描即可获取丰富信息

三维激光扫描技术具有极高的采样率，能够在短时间内对大面积区域进行精细扫描。在复杂地形中，无论是陡峭的山坡、茂密的森林还是深邃的水域，三维激光扫描系统都能轻松应对。单次扫描即可获取目标区域表面的详细三维信息，包括地形起伏、植被分布、建筑物结构等。这种高采样率确保了测量结果的全面性和准确性，为后续的三维建模、地形分析等工作提供了丰富的数据支持。

3. 安全性高：适合复杂地形，减少人员安全风险

复杂地形往往伴随着较高的安全风险，如陡峭的山坡可能导致滑坡、落石等自然灾害，茂密的森林可能隐藏着毒蛇猛兽等危险因素。传统测量方法需要测量人员深入这些危险区域进行实地测量，存在较大的安全隐患。而三维激光扫描技术则可以在安全距离外进行非接触式测量，有效避免了测量人员进入危险区域的风险。同时，该技术还可以减少测量人员在高空、深水等极端环境下的作业需求，进一步提高了测量的安全性。

四、三维激光扫描技术在复杂地形工程测量中的具体应用

数据收集与处理

1. 摄像机调试与三维激光扫描仪架设：
   1. 在进行三维激光扫描前，首先要对摄像机进行调试，确保拍摄的照片清晰度满足要求。在雨雾天气作业时，可能需要延长曝光时间以提高图像质量。
   2. 三维激光扫描仪的架设需要特别注意地面的平整度，以避免扫描仪不稳定和倾斜。在扫描过程中，扫描仪必须能够自由旋转，不能接触任何物体。
2. 数据采集方法：
   1. 三维激光扫描技术通过激光测距原理获取大量密集的点云数据。对于复杂地形，可能需要采用多种数据采集方法，如全站仪控制法、GPS控制法或手持式控制法，根据具体场景选择合适的方法。
   2. 在数据处理过程中，中值、平均值或标准高斯过滤器等方法常用于平滑去噪，以消除外部元素和设备内部电子元素对点云数据的干扰。
3. 点云数据匹配连接与孔修补：
   1. 由于遮挡、光反射等因素，部分区域可能无法扫描，导致点云数据遗漏。此时，需要通过匹配连接方法（如基于公共目标的坐标系连接）将不同桩号获取的点云数据合并到同一个坐标系中。
   2. 对于点云数据的孔修补，常用的方法包括现场校正法和点云插值法，以填补缺失的部分，确保数据的完整性和准确性。
4. 地形特征提取与分析

1. 地形特征提取：
   • 在三维模型中，可以方便地提取各种地形特征。这包括坡度、高程变化、地形起伏等。
   • 坡度可以通过计算模型中各点的法向量与水平面的夹角来得到。高程变化则可以通过比较不同位置点的高程值来分析。
   • 地形起伏的提取可能涉及更复杂的算法，如地形分析算法（如DEM分析），用于识别地形中的山脊、山谷、鞍部等特征。

总结：三维激光扫描技术在复杂地形工程测量中展现出显著优势，其高效的数据采集、精确的三维建模和地形特征分析能力，为工程测量提供了有力支持，极大地提升了测量效率和精度，对复杂地形的测绘工作具有重要意义。