三維激光掃描技術(shù)及其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用

武興巖（河北水文工程地質(zhì)勘察院，河北 石家莊 050021）

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三維激光掃描技術(shù)及其在測量領(lǐng)域的應(yīng)用

武興巖
（河北水文工程地質(zhì)勘察院，河北 石家莊 050021）

摘 要：三維信息獲取技術(shù)，也稱為三維數(shù)字化技術(shù)。它探究怎樣得到物體表面空間坐標(biāo)，獲得物體三維數(shù)字化模型的辦法。就三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度而言，通常都能達(dá)到的水平為毫米級，并且它建模以后的測量精度絕對不比傳統(tǒng)測量辦法遜色。效率高是三維激光掃描最關(guān)鍵的意義所在，激光掃描內(nèi)外業(yè)需要的時(shí)間一般就只有傳統(tǒng)辦法測量的1/20。所以，探討其原理繼而對其技術(shù)實(shí)施運(yùn)用非常關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；測量

三維激光掃描技術(shù)是對激光測距技術(shù)原理實(shí)施運(yùn)用并以此得到數(shù)據(jù)的一種新型技術(shù)，普遍運(yùn)用于變形監(jiān)測、管線測量、地形測量、斷面與體積測量等范圍，具備一些優(yōu)勢，包含不用棱鏡配合、測量精度相對高、數(shù)據(jù)采集密度相對高、工作效率相對高和全數(shù)字特點(diǎn)等。其龐大優(yōu)點(diǎn)就在于能夠迅速掃描被測物體，不用反射棱鏡就能直接得到高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣一來能夠高效地對真實(shí)世界實(shí)施三維建模與虛擬重現(xiàn)。

1　三維激光掃描技術(shù)介紹

1.1工作原理。三維激光掃描技術(shù)經(jīng)過內(nèi)部向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖的是激光脈沖發(fā)射器作用，在檢驗(yàn)到目標(biāo)被測以后，信號接收器再把目標(biāo)物發(fā)射回來的激光脈沖收集到其中，經(jīng)過這樣的反射、接收，從激光脈沖發(fā)射出去到返回的時(shí)間就能估算到，就是被掃描物體間距掃描點(diǎn)的距離，獲得相關(guān)地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；同時(shí)開啟掃描控制模塊作用，其測量目標(biāo)物的三維坐標(biāo)這樣來估算出，繼而改變成為坐標(biāo)系中的三維模型，得到獲得最后的數(shù)據(jù)圖形。

1.2運(yùn)用優(yōu)點(diǎn)。和陳舊的測量技術(shù)比較，三維激光掃描技術(shù)具備高的精準(zhǔn)度、高的分辨率、速度快等幾種運(yùn)用優(yōu)點(diǎn)，其特征關(guān)鍵體現(xiàn)在下面3個(gè)方面：（1）數(shù)字化。經(jīng)過三維激光掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)信息全部都展現(xiàn)出全數(shù)字的特征，特別容易分析、解決和顯示。同時(shí)其友好的用戶界面，可以非常好的完成和別的軟件的數(shù)據(jù)共享和交換，例如說和GPS、外接數(shù)碼相機(jī)配合應(yīng)用等等，具備非常好的拓展性。（2）分辨率高。三維激光掃描技術(shù)能夠非常好的完成高質(zhì)量、高密度的實(shí)施數(shù)據(jù)信息收集，這樣來完成高分辨率的基本目標(biāo)。（3）運(yùn)用性強(qiáng)。對于應(yīng)用條件沒有高要求的三維激光掃描技術(shù)，所以有相對強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，合適用于野外測量，能夠?qū)Υ竺娣e或者是表面繁雜的物體實(shí)施準(zhǔn)確的測量，所以在每一個(gè)項(xiàng)目或者是道路建設(shè)等每一區(qū)域中都有相對廣泛的運(yùn)用。

2　三維激光掃描運(yùn)用工作流程

2.1測站設(shè)計(jì)。依據(jù)掃描目標(biāo)的部位、大小、形態(tài)與需要得到的核心屬性，設(shè)計(jì)各掃描站與控制標(biāo)靶的部位。需要每站中間最少有3個(gè)控制標(biāo)靶重合，經(jīng)過控制點(diǎn)的強(qiáng)制符合，以確定兩個(gè)測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)跟所需的7個(gè)自由度相符，讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)最后可以統(tǒng)一到一個(gè)儀器坐標(biāo)體系下。

2.2掃描。把掃描儀架設(shè)在選定的測站上，儀器的姿態(tài)調(diào)整好。把掃描儀與筆記本應(yīng)用網(wǎng)線連接，把掃描儀的電源打開。開啟Cy2clone軟件，建設(shè)筆記本和掃描儀的通訊，掃描經(jīng)過由Cy2clone軟件控制，經(jīng)過集成的數(shù)碼相機(jī)拍攝掃描對象的影像，在影像上選擇掃描范圍。掃描儀依據(jù)軟件環(huán)境中布置的參數(shù)自動實(shí)施掃描。

2.3控制標(biāo)靶中心的獲得。結(jié)束每測站的掃描后，精細(xì)掃描都需要對控制標(biāo)靶實(shí)施。這經(jīng)過選擇掃描過程控制標(biāo)靶范圍內(nèi)的點(diǎn)，為每一個(gè)標(biāo)靶布置唯一的標(biāo)識，之后控制標(biāo)靶的中心點(diǎn)是經(jīng)過精細(xì)掃描范圍確定，相同的控制標(biāo)靶在不一樣測站中的標(biāo)識必須相同。

2.4配準(zhǔn)坐標(biāo)?；居?種的坐標(biāo)配準(zhǔn)辦法：配對形式、全局形式與絕對形式。屬于比較形式是前2種，它基準(zhǔn)為某一掃描站的坐標(biāo)系，這站的坐標(biāo)體系都是別的個(gè)站的坐標(biāo)體系轉(zhuǎn)換到來的。這2種形式的相同特征是：在實(shí)施掃描的經(jīng)過中，所布置的控制點(diǎn)或標(biāo)靶在掃描前其坐標(biāo)都不知道。而第3種方式，則在掃描前，已經(jīng)被測定控制點(diǎn)的坐標(biāo)值，在處理掃描數(shù)據(jù)時(shí)，每一個(gè)測站都需要轉(zhuǎn)換到掌控點(diǎn)所在的坐標(biāo)系中。

3　三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

掃描前需要準(zhǔn)備的工作關(guān)鍵包括2部分：控制網(wǎng)布設(shè)是第一部分，掃描站點(diǎn)布設(shè)是第二部分。而控制網(wǎng)的布設(shè)關(guān)鍵思考到控制點(diǎn)中間的通視性與控制網(wǎng)的幾何圖形，同時(shí)要聯(lián)合實(shí)地不一樣的狀況需要實(shí)施適當(dāng)?shù)倪x點(diǎn)。在控制網(wǎng)布設(shè)好的基礎(chǔ)上，能夠建設(shè)站點(diǎn)，站點(diǎn)的設(shè)計(jì)既要確?？梢酝耆杉枰膶ο蟮臄?shù)據(jù)，還要可以與控制網(wǎng)聯(lián)立起來，方便轉(zhuǎn)換全體距離影像配準(zhǔn)及和坐標(biāo)。結(jié)束設(shè)站后，就可以進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)收集了，直到設(shè)置范圍內(nèi)景物掃描結(jié)束完成。一般情況下由于掃描物范圍太大，或者被掃描物體的形狀比較復(fù)雜，一次設(shè)站經(jīng)常不能夠完成物體的掃描，這就需要多次遷站，反復(fù)上述過程，以讓整個(gè)物體的掃描結(jié)束。

4　三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)解決

運(yùn)用三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)組建實(shí)體三維幾何模型時(shí)，運(yùn)用對象不一樣、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征不一樣，三維激光掃描數(shù)據(jù)解決的途徑與方法也不盡一樣?？偟膩碚f，整個(gè)數(shù)據(jù)解決途徑包含數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、重建幾何模型與可視化模型。數(shù)據(jù)收集是重建模型的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為重建模型供應(yīng)可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，把重建模型的復(fù)雜度降低，把重構(gòu)模型的精確度與速度提升。數(shù)據(jù)預(yù)解決階段牽涉的內(nèi)容包含濾波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、平滑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、縮減的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分割的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、不一樣站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和融合等；重建模型階段牽涉的內(nèi)容有三維重建的模型、重建模型后的平滑、解決殘缺的數(shù)據(jù)、簡化模型與紋理映射等?，F(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，要依據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)的特征和建模要求，選用有關(guān)的數(shù)據(jù)處理措施與辦法。

結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)作為快速發(fā)展的測量技術(shù)，它具備較傳統(tǒng)測量手段無與倫比的優(yōu)勢，表現(xiàn)在速度快、精度高、應(yīng)用方便、自動化程度高、勞動強(qiáng)度低、受外界環(huán)境影響小等方面，所以它的廣泛運(yùn)用將大大降低生產(chǎn)成本與提升工作效率。在測繪工作人員很難到達(dá)的測繪范圍，運(yùn)用三維激光掃描體系進(jìn)行數(shù)據(jù)采集較傳統(tǒng)測量具有明顯的優(yōu)勢，在一定程度上也是對傳統(tǒng)地形測繪工作的有力補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

[1]張會霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012（12）.

[2]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）.

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A