三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

于磊+劉精攀

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們不再滿(mǎn)足于傳統(tǒng)的工程施工技術(shù)，這就對(duì)許多施工企業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。文章重要概述了三維激光掃描的概念，并以LeicaHDS3000三維激光掃描儀技術(shù)為案例，研究了在近代工程檢測(cè)中使用三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)。并探討了實(shí)際的點(diǎn)云拼接、掃描作業(yè)與數(shù)值處理的整個(gè)過(guò)程及對(duì)三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量中的使用研究。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；LeiceHDS3000；工程測(cè)量；Cyclone

在90年代中期開(kāi)發(fā)出了三維激光掃描技術(shù)，它依據(jù)激光掃描測(cè)量的方式，三維激光技術(shù)掃描能大面積的提升分辨率，并準(zhǔn)確得出被測(cè)量對(duì)象的三維坐標(biāo)數(shù)值，詳細(xì)的對(duì)空間點(diǎn)位信息進(jìn)行采集，并獲取被測(cè)物體表面上各個(gè)采樣點(diǎn)的空間獨(dú)立坐標(biāo)。工程監(jiān)測(cè)，是指在管理階段與建設(shè)時(shí)所開(kāi)展的各項(xiàng)測(cè)量工作。它能直接為所有項(xiàng)目的規(guī)劃、測(cè)量、施工、檢測(cè)、完工和運(yùn)行管理等一系列項(xiàng)目所服務(wù)的。如何才能在工程監(jiān)測(cè)中更好的植入三維激光掃描技術(shù)，并合理科學(xué)的使用它的準(zhǔn)確性能這一技術(shù)特點(diǎn)，是一個(gè)展新的研究項(xiàng)目。文章以Leica HDS3000為例，由于三維激光掃描技術(shù)具備代表性，所以被大型建筑工程監(jiān)測(cè)中廣泛的使用。

1、技術(shù)背景

1.1、三維激光掃描技術(shù)概念

三維激光掃描技術(shù)是從繁瑣實(shí)體結(jié)構(gòu)和實(shí)踐中得出該目標(biāo)的三維數(shù)值和模型，它能根據(jù)激光掃描測(cè)量的方式，為目標(biāo)的局部或整體進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，使其獲得目標(biāo)的面、線、體等三維數(shù)值，和檢測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)相結(jié)合，被稱(chēng)作“距離影響”和“點(diǎn)云”。根據(jù)測(cè)量?jī)x器和掃描目標(biāo)間存在距離長(zhǎng)短來(lái)實(shí)行劃分，三維激光掃描技術(shù)能分為近距離、中距離、遠(yuǎn)距離三類(lèi)，三類(lèi)距離本身的準(zhǔn)確度都是不同的，所以適合的對(duì)象也都各不相同，中、遠(yuǎn)、距離激光掃描可以用在大規(guī)模場(chǎng)景建設(shè)中，近距離激光掃描技術(shù)因?yàn)樗陨淼木珳?zhǔn)度相對(duì)較高，所以可以應(yīng)用在小型物體的三維準(zhǔn)確建設(shè)中。

1.2、Leica HDS3000三維激光掃描技術(shù)的特征

Leica HDS3000三維激光掃描儀是Leica公司高清測(cè)量?jī)x器的主打產(chǎn)品。在工作的時(shí)候，掃描儀可以沿著水平面上順時(shí)針?lè)较蛞来无D(zhuǎn)動(dòng)，儀器自動(dòng)進(jìn)行分析并記錄出激光的回導(dǎo)信號(hào)。通過(guò)計(jì)算后獲得的內(nèi)量數(shù)值，會(huì)通過(guò)緩沖分塊后經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議傳遞到數(shù)值記錄儀器中，并用數(shù)值庫(kù)的規(guī)定格式進(jìn)行儲(chǔ)存。Leica HDS3000三維激光掃描儀可以達(dá)成水平與垂直第一視角范圍的掃描，并且同時(shí)能得到掃描點(diǎn)的顏色資料。有效距離為三百米，采樣密度最高為一毫米，掃描的速度可達(dá)到每秒四千點(diǎn)。

1.3、后期處理軟件CycIone

Cyclone是Leica HDS3000三維激光掃描器與之相匹配軟件，也是三維激光掃描技術(shù)的重要軟件設(shè)備之一。Cyclone能夠管理大量的數(shù)值資料，并及時(shí)掃描測(cè)量物體，設(shè)定照相機(jī)的曝光清晰度，對(duì)數(shù)值采集錄入并進(jìn)行處理，還能根據(jù)標(biāo)靶和點(diǎn)云達(dá)成點(diǎn)云連接、數(shù)值分量處理與管理性能，可按照點(diǎn)云自動(dòng)形成曲面、平面、彎管、圓柱等多個(gè)幾何體，并自己構(gòu)網(wǎng)和形成等高線，根據(jù)點(diǎn)云的薄厚形成點(diǎn)云切片，可以傳遞出ptx、dxf、txt等各種不同數(shù)值的形式。Cyclone還具有正攝影像傳出作用，CAD用戶(hù)能在改正后的圖像上得出準(zhǔn)確的二維線劃圖。

2、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集

因?yàn)榧す庾陨韼в歇?dú)特的物理特點(diǎn)，和激光掃描儀的功率會(huì)受到限制，Leica HDS3000型三維激光掃描儀可以掃描三百米之內(nèi)的物體，最大誤差是六毫米，五十米處的最大誤差是兩豪米。并且，因?yàn)閽呙鑳x使用的是鉛酸電池，所以它的工作時(shí)間也是有限制的，詳細(xì)的掃描步驟如下：先知道控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在對(duì)整體天幕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗掃描，然后對(duì)立柱的焊接部位進(jìn)行細(xì)掃描，并且確保對(duì)每個(gè)焊接補(bǔ)位都有兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)掃描，并覆蓋百分之五十的表面，為后期處理創(chuàng)造了最佳的條件。東、西兩部分一共要掃描八個(gè)站點(diǎn)，總共的工作時(shí)長(zhǎng)為兩個(gè)工作日。除了布置現(xiàn)場(chǎng)和其他準(zhǔn)備工作之外，真實(shí)的掃描時(shí)間為十個(gè)小時(shí)，掃描面積是一萬(wàn)平方米，所以它的工作效率還是比較高的。

3、后期數(shù)據(jù)的處理

3.1、統(tǒng)一坐標(biāo)系的創(chuàng)建和導(dǎo)入

掃描現(xiàn)場(chǎng)的兩端距離比較大，東西兩端的距離為五百米，要采用分段式的方法來(lái)逐步測(cè)量。但是現(xiàn)場(chǎng)仍在繼續(xù)施工，這就使操作的難度大大提升，并不能只依靠動(dòng)靶標(biāo)點(diǎn)來(lái)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行傳輸。所以，把大地坐標(biāo)系當(dāng)成工程測(cè)量中的唯一坐標(biāo)系。具體的方式有：在在對(duì)美段進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，都要固定的靶標(biāo)點(diǎn)來(lái)作為把控點(diǎn)，然后在把把控點(diǎn)和各個(gè)站點(diǎn)點(diǎn)云連接，連接之后的點(diǎn)云坐標(biāo)系則視為大地坐標(biāo)系。

3.2、掃描準(zhǔn)確度驗(yàn)證

檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)一共放置了十八個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)，使用全站儀檢測(cè)出的準(zhǔn)確大地坐標(biāo)值，并在東、西兩部各選用三個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)來(lái)作為把控點(diǎn)。在每站開(kāi)始掃描的時(shí)候，每個(gè)部分會(huì)同時(shí)掃描和各自相對(duì)應(yīng)的把控點(diǎn)。在后期的處理時(shí)，將控制點(diǎn)的坐標(biāo)按順序錄入到文檔里，導(dǎo)入Cydone并存為一個(gè)scanworld，然后在和點(diǎn)云相結(jié)合，所以結(jié)合后的點(diǎn)云都具有代表性。

4、三維激光掃描在工程檢測(cè)中的使用與研究

現(xiàn)如今，隨著三維激光掃描技術(shù)的迅猛發(fā)展，以往的繪制方法也漸漸被廣泛使用，主要的使用領(lǐng)域有對(duì)土方的體積進(jìn)行測(cè)量。地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不再僅僅只依靠于人工操作，還能更加準(zhǔn)確的取得代表性地形的特點(diǎn)并用其它的方式表達(dá)出來(lái)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高并且提高了效率，而且大大提升了測(cè)量人員的工作效率，從一定基礎(chǔ)上節(jié)約了社會(huì)成本。土方測(cè)量與體積的測(cè)量是工程中必不可少的項(xiàng)目，三維激光掃描技術(shù)可以根據(jù)大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集技術(shù)在土方量計(jì)算方面能比以往方法更加的快速精確。所以，三維激光掃描技術(shù)在施工中有著廣泛的使用，并起到了它的使用價(jià)值。并且，能使工程測(cè)量更加的簡(jiǎn)易化。

結(jié)束語(yǔ)：點(diǎn)云的主要獲得方式是三維激光掃描技術(shù)對(duì)激光的照射，使以往使用的在外面測(cè)量改到室內(nèi)測(cè)量，顯著的提升了了測(cè)量的工作效率。得到的數(shù)值代表性、準(zhǔn)確性強(qiáng)，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的時(shí)間和次數(shù)。對(duì)三維激光掃描技術(shù)的使用已經(jīng)不僅僅能得出他的結(jié)果，還能繼續(xù)深更層次的挖掘和分析，特別是在點(diǎn)云數(shù)值模型化，以及數(shù)值在其他平臺(tái)的可用性方面進(jìn)行研究。endprint