三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的運用分析

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 山東濟南 250014

三維激光掃描技術(shù)的引入是在原有GPS 空間定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上的技術(shù)突破。它直接打破了傳統(tǒng)的測量方法，直接解決了激光掃描的形式，可以進行大范圍高分辨率的掃描，形成物標的三維坐標數(shù)據(jù)[1]。近年來，三維激光掃描技術(shù)在工程、地質(zhì)地貌調(diào)查、建筑文化遺產(chǎn)保護、斷面體積測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。過去常用的topographic 和USGS 制圖方法主要是CPS-RTK 制圖和數(shù)字攝影，但這些方法通常需要相當大的努力，而且往往位于陡峭、往往非常脆弱的地形。

1 三維激光掃描技術(shù)的特點及原理分析

三維激光掃描儀的種類很多，可分為機載激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)。以在日常測量中廣泛應用的地面三維激光掃描系統(tǒng)為例，實際工作如下:三維激光掃描系統(tǒng)以脈沖發(fā)射器為基礎(chǔ)，將脈沖信號傳輸?shù)轿矬w表面。此時，物體表面經(jīng)過脈沖信號的漫反射，脈沖信號以同一路徑返回到信號接收器，從而完成了目標點到掃描器距離的精確計算。此外，利用精密時鐘編碼器可以測量和計算每個激光脈沖的橫向和縱向掃描角。三維激光掃描的過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、幾何模型重構(gòu)、模型可視化和輸出。數(shù)據(jù)采集的功能是為模型重建提供準確的點云數(shù)據(jù)，從而降低模型重建的復雜性，提高模型數(shù)據(jù)預處理的精度和速度，而點云數(shù)據(jù)濾波是一個重要的過程[1]。

1.1 三維激光掃描技術(shù)的特點

三維激光掃描技術(shù)的應用有效地打破了傳統(tǒng)的單點測量方法，與傳統(tǒng)方法相比，具有精度高、效率高的明顯優(yōu)勢。該技術(shù)的應用可以充分提供被掃描物體表面的三維點數(shù)據(jù)，甚至可以通過三維激光掃描技術(shù)直接采集高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型。三維激光掃描技術(shù)的特點主要總結(jié)為三維掃描和快速掃描的實現(xiàn):

（1）三維掃描。在過去傳統(tǒng)的地形測量概念中，最終輸出的數(shù)據(jù)通常表示為二維結(jié)果。在測量、全站儀和GPS 測量方面，測量數(shù)據(jù)都是二維的。隨著三維激光掃描技術(shù)的應用，測量數(shù)據(jù)范圍非常大，如RGB 顏色信息、XYZ 點信息，甚至物體的反色比信息都可以測量，這是傳統(tǒng)測量無法做到的。

（2）快速掃描是掃描儀引入后形成的概念。一般來說，快速掃描的測量速度可以直接達到每秒1000 點，但是如果使用傳統(tǒng)的測量方法，會浪費2-5 秒。三維激光掃描技術(shù)的引入有效地改善了這一狀況，大大提高了工作質(zhì)量和效率。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的原理分析

在使用三維激光掃描技術(shù)進行測量時，可以通過光直接測量物體表面的三維坐標，從而提取和重構(gòu)三維場景[2]。綜合集成的三維激光掃描系統(tǒng)必須具備激光測距系統(tǒng)、高精度動態(tài)差動定位系統(tǒng)和高精度動態(tài)載波測量系統(tǒng)。最好是傳輸激光脈沖管的脈沖信號，然后傳送脈沖信號通過旋轉(zhuǎn)棱鏡，相應的目標，然后與探測器接收反射的激光信號，生成詳細的信號通過記錄儀記錄，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息的形式。需要測繪人員通過數(shù)據(jù)信息進行識別，最后通過軟件處理實現(xiàn)建模輸出。

2 應用問題

三維激光掃描技術(shù)在應用中還存在許多問題。如果用于數(shù)據(jù)處理的計算機不能滿足三維激光掃描技術(shù)的要求，勢必會影響數(shù)據(jù)測量和計算的效率。因此，為了有效提高三維激光掃描技術(shù)的應用效率，必須采取積極有效的措施，改進數(shù)據(jù)處理計算機的硬件配置，避免最終的數(shù)據(jù)處理和計算，使測量工作順利進行。此外，在三維激光掃描技術(shù)的實際應用中，地表植被的存在會影響測量數(shù)據(jù)的準確性。如果在實際測量過程中不能及時解決這一問題，不僅會嚴重影響測量數(shù)據(jù)的精度，也會影響圖像測量的精度。在測量過程中，測量技術(shù)人員所采用的操作方法也是影響測量數(shù)據(jù)完整性的關(guān)鍵因素。如果操作者的操作能力不能滿足三維激光掃描儀的技術(shù)要求，低質(zhì)量地形數(shù)據(jù)的測量精度和精度都會受到影響[3]。

3 三維激光掃描技術(shù)在地形地質(zhì)測量中的應用

3.1 數(shù)據(jù)的采集

測量地形和地質(zhì)條件使用3d 激光掃描技術(shù)，首先，我們需要收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，首先，我們需要進行嚴格的測試區(qū)域調(diào)查的環(huán)境，這樣我們就可以確定掃描儀的位置，目標和站點的數(shù)量。同時，它是必要的，以確保最終的數(shù)據(jù)獲得的每個掃描站才能真正反映整個區(qū)域的測量范圍，和相應的電臺數(shù)量應該盡量減少在測量過程中，以減少原始數(shù)據(jù)。另外，紋理數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)需要同步獲取，便于未來數(shù)據(jù)的匹配，需要根據(jù)不同的尺度要求選擇合適的采樣精度，需要逐站掃描。

3.2 數(shù)據(jù)的預處理

激光點云數(shù)據(jù)的處理方法包括點云匹配、消噪、分割、坐標和圖像匹配。通過多點掃描，可以得到正確匹配的點云數(shù)據(jù)，從而有效統(tǒng)一坐標系，便于對掃描目標進行定量建模和分析。在匹配過程中主要有兩種方法：

（1）直接匹配相同規(guī)則形狀的被掃描對象的公共點坐標，并將多個位置的點云統(tǒng)一到一個特定的坐標系統(tǒng)中。

（2）結(jié)合GPS 測得的精確站位坐標，直接將所有點云轉(zhuǎn)換為固定的經(jīng)緯度。這樣可以有效地獲取點云的真實位置，為后期的分析和其他遙感數(shù)據(jù)的分析提供了便利。

4 結(jié)語

總之，三維激光掃描技術(shù)本身就具有精度高、效率高、掃描精度好的特點。將其應用到地形測繪中，可以大大降低工人的勞動強度，縮短工作時間，有效提高整個測繪工作的效率，最終達到滿意的效果。三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應用是對傳統(tǒng)測繪工作的有效補充。