■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 新疆巴音郭楞 841000）

三維電子激光掃描儀在測(cè)繪中的應(yīng)用

■艾克拜爾·依不拉音

（巴音郭楞蒙古自治州國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 新疆巴音郭楞 841000）

三維激光掃描儀應(yīng)用于測(cè)繪具有數(shù)據(jù)獲取速度快和處理精度高等特點(diǎn)，它無(wú)需接觸被測(cè)繪物體而獲得物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具有傳統(tǒng)測(cè)繪手段無(wú)法比擬的優(yōu)越性，是一項(xiàng)極有應(yīng)用前途的高新技術(shù)。

三維電子激光測(cè)繪應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和三維建模研究方法的不斷完善促進(jìn)三維電子激光掃描儀廣泛應(yīng)用于測(cè)繪，如文物與古建筑保護(hù)、公路測(cè)量與地形圖測(cè)繪、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與形變監(jiān)測(cè)、工業(yè)設(shè)備的三維建模、土石方和體積測(cè)量等。加強(qiáng)對(duì)三維電子激光掃描儀在測(cè)繪中的應(yīng)用研究是行業(yè)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)的要求。

1 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測(cè)繪的發(fā)展

三維激光掃描儀于上個(gè)世紀(jì)九十年代開始應(yīng)用于測(cè)繪，它能獲取并處理各種型號(hào)、形狀、簡(jiǎn)單或復(fù)雜的待測(cè)繪物體的表面數(shù)據(jù)，構(gòu)建測(cè)繪物體的三維模型。三維電子激光掃描技術(shù)前身是激光雷達(dá)技術(shù)。國(guó)外對(duì)三維激光掃描儀從上世紀(jì)六十年代就開始，直至現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成極具規(guī)模的比較成熟的產(chǎn)業(yè)。如瑞士的Leica公司、美國(guó)的3D DIGITAL公司。我國(guó)將三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測(cè)繪的時(shí)間比較短，清華大學(xué)曾提出將三維激光掃描儀國(guó)產(chǎn)化，通自主研發(fā)并設(shè)計(jì)掃描儀樣機(jī)，“LD激光自動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)”便是武漢大學(xué)自主研制的集多傳感器于一體的自動(dòng)化三維激光掃描系統(tǒng)，三維激光掃描儀為我國(guó)的工程建設(shè)、三維模型構(gòu)建、城市規(guī)劃、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域做作出巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)舟曲泥石流災(zāi)區(qū)的數(shù)據(jù)便是甘肅地礦局采用三維激光掃描儀掃描的結(jié)果。

2 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測(cè)繪的優(yōu)越性

三維電子激光掃描儀無(wú)需接觸待測(cè)繪物體而能獲得大量立體空間三維數(shù)據(jù)，其一切信息幾何數(shù)據(jù)化的特點(diǎn)使得該技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。（1）信息采樣多。三維激光掃描儀脈沖激光的信息獲取量可達(dá)上千甚至上萬(wàn)點(diǎn)每秒，如相位激光掃描儀，可以獲取帶測(cè)繪物體更多的空間信息。（2）高準(zhǔn)確度。三維激光掃描技術(shù)可以避免待測(cè)繪物體表面近似誤差，并且獲得的數(shù)據(jù)精度相對(duì)較高且分布均勻。（3）受環(huán)境約束小。（4）無(wú)需接觸測(cè)繪物體。（5）兼容性強(qiáng)。

3 三維電子激光掃描儀應(yīng)用于測(cè)繪的技術(shù)要求

任何事物都存在著客觀規(guī)律，建筑物的建造也一樣，確定測(cè)繪物體形狀、大小和幾何位置，并對(duì)這些有規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化與歸納，能提高三維電子激光掃描儀測(cè)繪技術(shù)的效率。

3.1 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集

（1）現(xiàn)場(chǎng)踏勘。待測(cè)繪物體的具體位置、空間分布、外部形態(tài)、內(nèi)部架構(gòu)，并結(jié)合測(cè)繪的精度和分辨率要求，繪制出勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的草圖，是去現(xiàn)場(chǎng)踏勘的目的。應(yīng)盡量選擇無(wú)遮擋物、無(wú)重疊部分區(qū)域作為掃描站點(diǎn)，并保證站點(diǎn)在掃描儀的有效掃描范圍內(nèi)。適當(dāng)設(shè)置合理站數(shù)，站數(shù)過多會(huì)降低掃描效率，站數(shù)過少則容易出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

（2）控制網(wǎng)的布設(shè)。任何建筑物的完整數(shù)據(jù)都可能一蹴而就，必須通過多個(gè)站點(diǎn)掃描并將獲得的這些數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系，這些控制點(diǎn)便構(gòu)成控制網(wǎng)，控制點(diǎn)布置要均勻且通視良好。

（3）標(biāo)靶的布設(shè)。為了后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的方便，掃描前應(yīng)在掃描區(qū)域設(shè)立多個(gè)標(biāo)靶，相鄰的兩測(cè)站之間要有3個(gè)以上公共標(biāo)靶，標(biāo)靶與測(cè)試站盡量保持通視，且這些標(biāo)靶不能布設(shè)在同一直線上。

（4）建筑物的掃描。三維激光掃描儀架設(shè)應(yīng)與控制點(diǎn)對(duì)中、整平，在鄰近的控制點(diǎn)上架設(shè)專用標(biāo)靶。打開掃描儀電源掃描儀開始自檢后，掃描儀和筆記本建立聯(lián)系，以存儲(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。跟進(jìn)COM口的前進(jìn)方向框選出掃描區(qū)域和標(biāo)靶位置，然后利用掃描儀內(nèi)部像極獲取測(cè)繪物體影像。在掃描儀軟件中輸入測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)、儀器高度和標(biāo)靶高度，然后對(duì)后視點(diǎn)上標(biāo)靶的范圍進(jìn)行框選，以獲得掃描儀定向結(jié)果。根據(jù)測(cè)試站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求設(shè)定分辨率是掃描建筑物的前期準(zhǔn)備。

（5）紋理數(shù)據(jù)采集。通過采集測(cè)繪物體的紋理數(shù)據(jù)可以達(dá)到讓測(cè)繪建筑物真實(shí)再現(xiàn)的效果。紋理數(shù)據(jù)質(zhì)量越高能使測(cè)繪建筑物還原更加逼真，這些就需要設(shè)備、光照和人的技術(shù)三者結(jié)合發(fā)揮合力。被掃描的區(qū)域應(yīng)管線明亮而柔和，避免反光，設(shè)置相機(jī)合力的曝光度，相機(jī)鏡頭與被拍攝面保持垂直能獲得更好的拍攝效果，最好對(duì)建筑物份部分拍照然后將紋理拼接，尤其是復(fù)雜的建筑物，整體拍照是得不到理想效果的。

3.2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）去除噪聲。數(shù)據(jù)噪聲是指由于信息過大而必然存在的差點(diǎn)和錯(cuò)誤，噪聲不僅浪費(fèi)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，也會(huì)降低數(shù)據(jù)總體質(zhì)量而影響三維模型建構(gòu)的精確性。各測(cè)試站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獨(dú)立性為去除噪聲技術(shù)提供了運(yùn)用的可能性，去除噪聲也是后續(xù)建立模型的必要。去除噪聲也分為兩個(gè)步驟進(jìn)行。首先是去噪，根據(jù)噪聲的主要來(lái)源對(duì)癥下藥：其一，受測(cè)量方法和掃描設(shè)備影響比如掃描儀分辨率的設(shè)置、測(cè)距精度的大小、儀器受到震動(dòng)的程度和掃描角度的變化形成的噪聲，適當(dāng)調(diào)整掃描參數(shù)、改變掃描角度以及利用濾波的方法來(lái)進(jìn)行過濾；其二，被掃描物體自身的條件，如表面粗糙度、表面材料、波紋等因素形成的噪聲，可以通過改變掃描儀和被測(cè)物體的掃描距離來(lái)增強(qiáng)反射率來(lái)解決；其三，偶然因素或者不可抗力，比如被掃描物旁邊路過或已經(jīng)存在的無(wú)關(guān)之物，可以通過手動(dòng)刪除。其次，對(duì)于通過初步去噪后仍隱藏于點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)中的噪聲，應(yīng)進(jìn)行平滑處理如降低點(diǎn)云密度以提高素具質(zhì)量，即點(diǎn)云濾波。

（2）點(diǎn)云拼接。對(duì)任何測(cè)繪物體完整數(shù)據(jù)的獲得都需要進(jìn)行多站點(diǎn)掃描，三維激光掃描儀本身有自己的直角坐標(biāo)系，但由于不同測(cè)繪站點(diǎn)對(duì)測(cè)繪物體同一位置得到的數(shù)值不同，且各自獨(dú)立存在，這就需要對(duì)這些分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接為后續(xù)處理工作做好準(zhǔn)備。拼接點(diǎn)云可以通過四種途徑進(jìn)行：基于標(biāo)靶拼接；基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，基于控制點(diǎn)拼接和混合拼接。

4 結(jié)語(yǔ)

將地面三維激光掃描儀器應(yīng)用于測(cè)繪是測(cè)量技術(shù)的巨大進(jìn)步，并且在應(yīng)用的過程中這項(xiàng)技術(shù)也得到了更充足的發(fā)展。但當(dāng)前地面三維激光掃描儀體積大，質(zhì)量重，價(jià)錢高，技術(shù)處理軟件待進(jìn)一步改進(jìn)，也是當(dāng)前三維激光掃描儀被廣泛應(yīng)用路上需要解決的難題。

[1]余明,丁辰,過靜珺.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測(cè)繪的研究 [J].測(cè)繪科學(xué).2004,5: 69-70.

[2]袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù) [D].南京理工大學(xué)碩士論文.2006.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-252-1