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 450016

談3D掃描儀在地形測量中的有效應(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 450016

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

隨著科技的飛速發(fā)展，地形測量在工程建設(shè)中的作用也愈來愈大。而三維掃描儀高效、快捷的特點在地形測量中得到了廣泛的應(yīng)用。正是由于地形測量工作的重要性，也說明能否運(yùn)用好三維掃描儀，將成為決定地形測量工作效果的關(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，通過自身所有掃描棱鏡進(jìn)行快速的掃描測距，并能夠使獲得的數(shù)據(jù)達(dá)到較高精度，其獲取信息的過程能夠在最短的時間內(nèi)完成[1]。主要優(yōu)勢為：一是僅為其提供一個檢測點，該儀器即可在不接觸檢測物體的情況下，通過快速掃描取得被測物體的所需信息，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)行測量的過程中，在無光源情況下，即黑暗條件下，亦可對被測物體展開測量，若有光源的條件下，還能夠同時取得被測物體的色彩值，獲得其三維影像，更加便于虛擬實境的建立。本文主要通過對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)計的探測器；其線掃描主要是運(yùn)用多面體來進(jìn)行反射。在運(yùn)行的過程中，通過控制多棱鏡速度，使其在進(jìn)行掃描時亦能夠以不同速度進(jìn)行，同時也可通過不同的角度來對物體進(jìn)行掃描；按照光學(xué)中360度旋轉(zhuǎn)原理，可對水平面展開全方位的掃面；在獲得長度、角度等信息后，平行數(shù)據(jù)輸出接口將通過與電腦連接，對其進(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在一定距離條件下，運(yùn)用激光技術(shù)獲取LIDAR光傳輸時間來進(jìn)行測量。簡而言之，首先將激光脈沖二極管中發(fā)射出的信號通過棱鏡，再經(jīng)由棱鏡調(diào)整到達(dá)目標(biāo)物，其后反射回來的信息將經(jīng)由探測器獲取信息，并將其記錄下來。（圖1）

圖1 LMS—X4203D激光掃描工作原理

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

2.1 點云聯(lián)結(jié)

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

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

2.2.2 磁性覘標(biāo)控制點法 通過在測站重疊的范圍內(nèi)，并放置覘標(biāo)來作為測量的控制點，就可以通過覘標(biāo)的特性進(jìn)行反射并自動找到控制點。在獲得三個或以上數(shù)量的控制點后，就可通過轉(zhuǎn)換得到相連測站的數(shù)據(jù)。

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

2.2.4 曲面匹配法 在觀測表現(xiàn)起伏的物體時，可將重疊的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過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有能夠完全實現(xiàn)自動化，因此，需要通人工對其進(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 獲取離散點挖掘過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。在對建筑物進(jìn)行信息挖掘時，主要方法為：

2.2.1 對掃描儀測量的建筑物的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算（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計算得到其垂直距離，其簡稱為偽距。

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，但在實際操作過程中，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，再通過計算獲得垂足點。

2.2.2 糾正激光測量斷面，使整體結(jié)果更加匹配。首先將獲得的全部垂足點按照相應(yīng)順序進(jìn)行連接，再運(yùn)用曲線擬合的方法計算出曲線上的曲線點，其后通過探測曲線點，獲得被測物體的形體特點，最后將特征點進(jìn)行整合，通過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線。

2.2.3 通過重復(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)計算時，主要針對存在疑問點進(jìn)行處理，并取得最后的特征點。其后再通過將各特征點進(jìn)行原始觀測值的劃分，并根據(jù)擬合得出的結(jié)果對原始觀測點中的距離值進(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，再對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，就可獲取觀測物的三維坐標(biāo)。主要計算方法為：已知值為激光掃描儀與觀測物之間的垂直距離，在獲得已知值后按照二維平面信息，通過對原始數(shù)據(jù)重新進(jìn)行整理計算。相較于坐標(biāo)概算重采樣主要注重建筑物整體特征，同時對測量數(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 點云模型化

通過以上計算方法，最終能夠獲得三維重采樣點，并將數(shù)據(jù)直接運(yùn)用到三維建模中來。地形表面建模主要為基于點的建模方法、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)合起來的混合建模方法四大方法。

3 結(jié)語

總而言之，由于三維激光掃描儀在地形測量中的作用重大，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，能使其在地形測量中更加快捷高效地測繪圖形。

[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]. 價值工程, 2010,(09) .

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.008