殷德耀 李健

河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì) 450016

談3D掃描儀在地形測(cè)量中的有效應(yīng)用

殷德耀 李健

河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì) 450016

隨著科技的飛速發(fā)展，地形測(cè)量在工程建設(shè)中的作用也愈來(lái)愈大。而三維掃描儀高效、快捷的特點(diǎn)在地形測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。正是由于地形測(cè)量工作的重要性，也說(shuō)明能否運(yùn)用好三維掃描儀，將成為決定地形測(cè)量工作效果的關(guān)鍵因素。本文主要針對(duì)三維掃描儀的工作原理及數(shù)據(jù)處理方法、步驟進(jìn)行了全面性的探討。

3D激光掃描儀；地形測(cè)量；原理；方法

隨著科技的飛速發(fā)展，地形測(cè)量在工程建設(shè)中的作用也愈來(lái)愈大。而三維掃描儀高效、快捷的特點(diǎn)在地形測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。正是由于地形測(cè)量工作的重要性，也說(shuō)明能否運(yùn)用好三維掃描儀，將成為決定地形測(cè)量工作效果的關(guān)鍵因素。

1 3D激光掃描儀的工作原理

3D激光掃描儀主要是在不運(yùn)用反射棱鏡的情況下，通過(guò)自身所有掃描棱鏡進(jìn)行快速的掃描測(cè)距，并能夠使獲得的數(shù)據(jù)達(dá)到較高精度，其獲取信息的過(guò)程能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成[1]。主要優(yōu)勢(shì)為：一是僅為其提供一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，該儀器即可在不接觸檢測(cè)物體的情況下，通過(guò)快速掃描取得被測(cè)物體的所需信息，并能夠使獲取的信息具備相當(dāng)高的精度及密度，再通過(guò)特定的輔助軟件即可獲取該圖形的空間信息；二是該儀器在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，在無(wú)光源情況下，即黑暗條件下，亦可對(duì)被測(cè)物體展開(kāi)測(cè)量，若有光源的條件下，還能夠同時(shí)取得被測(cè)物體的色彩值，獲得其三維影像，更加便于虛擬實(shí)境的建立。本文主要通過(guò)對(duì)LMS—X4203D激光掃描儀進(jìn)行其結(jié)構(gòu)和原理的分析。

1.1 結(jié)構(gòu)解析 為提高3D激光掃描儀的掃描速度，特在LMS—X4203D激光掃描儀中裝入了為其特別設(shè)計(jì)的探測(cè)器；其線掃描主要是運(yùn)用多面體來(lái)進(jìn)行反射。在運(yùn)行的過(guò)程中，通過(guò)控制多棱鏡速度，使其在進(jìn)行掃描時(shí)亦能夠以不同速度進(jìn)行，同時(shí)也可通過(guò)不同的角度來(lái)對(duì)物體進(jìn)行掃描；按照光學(xué)中360度旋轉(zhuǎn)原理，可對(duì)水平面展開(kāi)全方位的掃面；在獲得長(zhǎng)度、角度等信息后，平行數(shù)據(jù)輸出接口將通過(guò)與電腦連接，對(duì)其進(jìn)行處理，獲得所需數(shù)據(jù)。

1.2 工作原理 LMS—X4203D激光掃描儀主要是通過(guò)在一定距離條件下，運(yùn)用激光技術(shù)獲取LIDAR光傳輸時(shí)間來(lái)進(jìn)行測(cè)量。簡(jiǎn)而言之，首先將激光脈沖二極管中發(fā)射出的信號(hào)通過(guò)棱鏡，再經(jīng)由棱鏡調(diào)整到達(dá)目標(biāo)物，其后反射回來(lái)的信息將經(jīng)由探測(cè)器獲取信息，并將其記錄下來(lái)。（圖1）

圖1 LMS—X4203D激光掃描工作原理

圖2 測(cè)量斷面中激光掃描儀到建筑物的垂直距離圖

2 3D數(shù)據(jù)處理的步驟及方法

經(jīng)過(guò)激光掃描取得的數(shù)據(jù)主要是被測(cè)物體表面分布較為緊密的三維點(diǎn)云，若在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)物由于各種情況，致使掃面不能夠一次性全部觀測(cè)，這就需要通過(guò)此次檢測(cè)來(lái)獲得所需數(shù)據(jù)，后再將多次測(cè)量獲得的點(diǎn)云進(jìn)行整合來(lái)獲得信息[2]。在實(shí)際操作中，大部分的測(cè)量均需通過(guò)模型化處理來(lái)整理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以此來(lái)取得所測(cè)物體的信息。

2.1 點(diǎn)云聯(lián)結(jié)

通過(guò)不同站點(diǎn)獲得的點(diǎn)云有著各自的坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，點(diǎn)云聯(lián)結(jié)就是將所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)上來(lái)，抑或者通過(guò)對(duì)其參考坐標(biāo)進(jìn)行相對(duì)的轉(zhuǎn)換[3]。就當(dāng)前而言點(diǎn)云聯(lián)結(jié)主要為測(cè)站后視棱鏡法、曲面匹配法、磁性覘標(biāo)控制點(diǎn)法和共軛面轉(zhuǎn)換法四種方法。

2.2.1 共軛面轉(zhuǎn)換法 操作者通過(guò)人為與機(jī)器互動(dòng)的操作，將所重疊的點(diǎn)云集中到平面上來(lái)，其后再找出3個(gè)或以上共軛面，注意該面均在不平行面上，再通過(guò)將共軛面上的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該方法在觀測(cè)的過(guò)程中，不需要通過(guò)其他任何步標(biāo)或測(cè)量來(lái)開(kāi)展，但在共同的觀測(cè)范圍內(nèi)必須具備3個(gè)或以上共軛面，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2.2 磁性覘標(biāo)控制點(diǎn)法 通過(guò)在測(cè)站重疊的范圍內(nèi)，并放置覘標(biāo)來(lái)作為測(cè)量的控制點(diǎn)，就可以通過(guò)覘標(biāo)的特性進(jìn)行反射并自動(dòng)找到控制點(diǎn)。在獲得三個(gè)或以上數(shù)量的控制點(diǎn)后，就可通過(guò)轉(zhuǎn)換得到相連測(cè)站的數(shù)據(jù)。

2.2.3 測(cè)站后視棱鏡法 當(dāng)激光掃描儀在經(jīng)由棱鏡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反射情況，但還屬于辨識(shí)范圍內(nèi)，為此需要建立起三維關(guān)系，將測(cè)站與棱鏡兩者連接起來(lái)。簡(jiǎn)而言之，在獲得棱鏡與測(cè)站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)將測(cè)量到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面坐標(biāo)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。在定位測(cè)量時(shí)，通常情況運(yùn)用全站儀來(lái)進(jìn)行，也會(huì)運(yùn)用全球定位系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

2.2.4 曲面匹配法 在觀測(cè)表現(xiàn)起伏的物體時(shí)，可將重疊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)曲面匹配的方式取得信息。但由于目前的曲面匹配理論還沒(méi)有能夠完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，需要通人工對(duì)其進(jìn)行近似匹配操作，才能使結(jié)果達(dá)到最理想的效果。

2.2 特征線的提取 獲取離散點(diǎn)挖掘過(guò)程中線性信息的方法非常多，線性回歸、HOUGH交換等均屬于方法之一。在對(duì)建筑物進(jìn)行信息挖掘時(shí)，主要方法為：

2.2.1 對(duì)掃描儀測(cè)量的建筑物的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（圖2），掃描線能夠與建筑物處在同一層面并形成了ΔOPiPj，該三角形的變長(zhǎng)分別為Di、Dj，其已知夾角為B。圖中所有形成的三角形均可通過(guò)計(jì)算得到其垂直距離，其簡(jiǎn)稱為偽距。

在較為理想的情況下，若處在同一斷面上，那么其偽距多數(shù)是相等的，并能夠顯示出掃描儀到建筑物這兩者之間的距離，但在實(shí)際操作過(guò)程中，不可避免地存在一些差距，這就需要操作人員進(jìn)行人為的判斷，再通過(guò)計(jì)算獲得垂足點(diǎn)。

2.2.2 糾正激光測(cè)量斷面，使整體結(jié)果更加匹配。首先將獲得的全部垂足點(diǎn)按照相應(yīng)順序進(jìn)行連接，再運(yùn)用曲線擬合的方法計(jì)算出曲線上的曲線點(diǎn)，其后通過(guò)探測(cè)曲線點(diǎn)，獲得被測(cè)物體的形體特點(diǎn)，最后將特征點(diǎn)進(jìn)行整合，通過(guò)直線擬合及形體信息挖掘，獲得建筑物二維平面特征所需的點(diǎn)線。

2.2.3 通過(guò)重復(fù)以上步驟，將獲取的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理。

2.2.4 在進(jìn)行第二次重復(fù)計(jì)算時(shí)，主要針對(duì)存在疑問(wèn)點(diǎn)進(jìn)行處理，并取得最后的特征點(diǎn)。其后再通過(guò)將各特征點(diǎn)進(jìn)行原始觀測(cè)值的劃分，并根據(jù)擬合得出的結(jié)果對(duì)原始觀測(cè)點(diǎn)中的距離值進(jìn)行完善。

2.3 三維數(shù)據(jù)的獲取

在獲得最終糾正信息后，再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，就可獲取觀測(cè)物的三維坐標(biāo)。主要計(jì)算方法為：已知值為激光掃描儀與觀測(cè)物之間的垂直距離，在獲得已知值后按照二維平面信息，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)重新進(jìn)行整理計(jì)算。相較于坐標(biāo)概算重采樣主要注重建筑物整體特征，同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)也更加注重整體匹配和糾正，達(dá)到改善誤差的效果[4]。

2.4 點(diǎn)云模型化

通過(guò)以上計(jì)算方法，最終能夠獲得三維重采樣點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)直接運(yùn)用到三維建模中來(lái)。地形表面建模主要為基于點(diǎn)的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格網(wǎng)的建模方法和將其中任意兩種結(jié)合起來(lái)的混合建模方法四大方法。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，由于三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的作用重大，因此掌握其工作原理，能夠有效幫助快速掌握其操作方法，其后再結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法，能使其在地形測(cè)量中更加快捷高效地測(cè)繪圖形。

[1] 原玉磊. 三維激光掃描應(yīng)用技術(shù)研究[D].解放軍信息工程大學(xué), 2009 .

[2] 顧斌,董杰,董妍. 探討三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng), 2010,(03) .

[3] 趙曉明, 洪波. 三維激光掃描儀應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 價(jià)值工程, 2010,(09) .

[4] 趙保國(guó), 苗云鵬. 3D激光掃描儀在河口村壩址地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2009,(04)

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.008