周 超，李 慧

（浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310000）

工程測量過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和信息，傳統(tǒng)人工方式在數(shù)據(jù)處理和信息歸納過程中的效率較低，且精準(zhǔn)性不高。利用信息技術(shù)結(jié)合人工管理的方式進(jìn)行綜合作業(yè)能夠進(jìn)一步提升工程測量的效率。三維激光掃描技術(shù)充分利用了激光測距的原理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)值的信息化統(tǒng)計(jì)和歸納，以及利用技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位測量和云圖密度分析的目標(biāo)。因此，文章探究了三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用，并且著重分析了其原理和類型，進(jìn)一步明確了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

1 三維激光掃描技術(shù)的類型及工作原理

就當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用情況來看，可以分為固定式和移動式兩種。其中固定式技術(shù)主要依賴于測量設(shè)備全站儀，將其作為激光掃描的控制中心以及數(shù)據(jù)處理中心，全站儀能夠?qū)⒋罅康臄?shù)據(jù)進(jìn)行匯總整合，并且通過處理軟件來形成三維坐標(biāo)，具有操作簡單、高精度、高效率、范圍廣的優(yōu)勢[1]。

而移動式的三維激光掃描技術(shù)，主要利用車載平臺進(jìn)行移動式定位掃描，借助GPS系統(tǒng)、IMU系統(tǒng)，并結(jié)合三維激光掃描技術(shù)組成整體的運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，具有更高的靈活性，但是對于某些地形較為惡劣的環(huán)境開展測量作業(yè)，具有一定的阻礙。

從該項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)行上來講，主要的核心原理為激光測距技術(shù)。在運(yùn)行過程中，激光測距技術(shù)會不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理工作。接收設(shè)備會對測量對象返回的激光強(qiáng)度進(jìn)行接收，并且根據(jù)激光的強(qiáng)度來測量對象點(diǎn)的距離數(shù)值，進(jìn)行顏色的灰度匹配[2]。從測量作業(yè)的整體流程上來講，定位測量點(diǎn)的過程即為整體系統(tǒng)打造局部坐標(biāo)的過程。掃描儀往往充當(dāng)了原點(diǎn)的角色，利用這三點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)能夠定位測量點(diǎn)的相關(guān)數(shù)值。詳細(xì)的測量原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)的測量原理

就當(dāng)前業(yè)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，利用固定式全站儀進(jìn)行掃描作業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，而移動式的掃描作業(yè)技術(shù)由于受到了較多因素的影響，依舊處于不斷地實(shí)驗(yàn)和發(fā)展階段，因此文章所討論的三維激光掃描技術(shù)主要以固定式全站儀形式為主。

2 三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用流程

工程測量的方向主要以地形圖的繪測、計(jì)算土方量、竣工后的工程測量以及施工過程中的三維建模這幾個(gè)方面為主，每一個(gè)領(lǐng)域都涉及了大量的數(shù)據(jù)測繪和采集工作。這些數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性將直接影響工程后期的質(zhì)量和穩(wěn)定性，因此利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測量，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)提供安全保障，基礎(chǔ)的流程為以下幾個(gè)階段：

首先，需要做好掃描作業(yè)前的準(zhǔn)備工作，勘測掃描環(huán)境，確定掃描儀的位置以及標(biāo)靶的位置，保證掃描點(diǎn)和掃描儀之間獲取到的數(shù)據(jù)能夠代表整體的測量區(qū)域。在掃描的過程中，需要對掃描對象進(jìn)行拍照，形成后期的影像數(shù)據(jù)。

其次，需要獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不同的測站需要對范圍內(nèi)的3～4個(gè)掃描點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)測量，來規(guī)劃掃描控制標(biāo)靶的中心位置。結(jié)合多項(xiàng)數(shù)據(jù)來確立三維坐標(biāo)，將坐標(biāo)體系作為后續(xù)數(shù)據(jù)配比的基準(zhǔn)。

最后，結(jié)合獲取到的數(shù)據(jù)與前期的地形拍攝圖、繪測數(shù)據(jù)、不規(guī)則的環(huán)境體積以及工程的相關(guān)資料進(jìn)行分析[3]。

3 三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的實(shí)際應(yīng)用

以下著重分析三維激光掃描技術(shù)在地形圖繪制、土方量計(jì)算、道路竣工測量以及三維模型構(gòu)建等方面的應(yīng)用情況。

（1）繪制地形圖。地形圖繪制過程中的主要流程如下：首先，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理為基準(zhǔn)，在提取整體的地形地貌基礎(chǔ)上確定特征點(diǎn)，通過多項(xiàng)圖層的結(jié)合來形成地形圖。首先，提取地面的特征點(diǎn)。在已經(jīng)完成掃描的圖像中定位具有特征的點(diǎn)位，例如區(qū)內(nèi)的電線桿、房屋的角點(diǎn)以及高大的樹木等。特征點(diǎn)定位之后需要將其導(dǎo)出，利用數(shù)字測圖軟件進(jìn)行繪制。其次，定位等高線。此時(shí)需要將已經(jīng)測量好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，將處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與大比例尺的數(shù)字測圖軟件進(jìn)行結(jié)合，利用軟件的自動生成功能來形成等高線。最后，完善等高線。通過已經(jīng)確定的等高線以及地形圖進(jìn)行補(bǔ)缺和調(diào)整，利用人工編輯的方式，結(jié)合地形圖和實(shí)際環(huán)境作用中的地物進(jìn)行充分疊加，使等高線更加圓滑、完整[4]。

從使用優(yōu)勢上來看，利用該項(xiàng)技術(shù)可以減輕人工野外作業(yè)的難度和強(qiáng)度，同時(shí)也可以精準(zhǔn)的獲取較為細(xì)致的地形地貌，但是在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中較為繁冗，因此，對于地形圖測繪來講，起到的成效并不是十分明顯。

（2）計(jì)算土方量。利用三維激光掃描技術(shù)來計(jì)算土方量時(shí)，首先需要打造基準(zhǔn)面，在得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后再將這些數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系進(jìn)行結(jié)合，利用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，最后結(jié)合高程信息以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的邊界來打造基準(zhǔn)面。結(jié)合不同的工程信息，基準(zhǔn)面的形狀通常以高程為主，同時(shí)也存在曲面等類型。接下來需要將地形圖中的非地貌數(shù)據(jù)剔除，主要有地形地面上的基礎(chǔ)設(shè)施以及植被。剔除的方式可利用平均面迭代法，反復(fù)多次直至地形表面的構(gòu)造物都被剔除之后，才能夠得出基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。最后結(jié)合構(gòu)建完成的基準(zhǔn)面來打造不規(guī)則三角網(wǎng)，利用三角網(wǎng)的數(shù)據(jù)與坐標(biāo)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，生成數(shù)字模型，利用模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)便可以計(jì)算出挖方量和需要填方的體積[5]。詳細(xì)的測繪流程如圖2所示。

（3）道路竣工測量。利用三維激光掃描技術(shù)來獲取道路的相關(guān)數(shù)據(jù)，需要在形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)固定間隔來提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的三維坐標(biāo)。詳細(xì)信息如圖3所示。接下來結(jié)合自動生成的等高線來繪制工程的樣圖，并且擬定橫斷面如圖4所示。

利用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行道路工程竣工測量，可以進(jìn)一步提升作業(yè)效率，減少傳統(tǒng)人工勞動的強(qiáng)度，同時(shí)數(shù)據(jù)方面也較為精準(zhǔn)，最后制定的地形圖也能夠反映工程的實(shí)際信息。

圖3 道路工程坐標(biāo)提取

（4）三維模型構(gòu)建。在利用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建模型時(shí)，點(diǎn)源數(shù)據(jù)的密度將直接影響最后模型的精度，因此需要利用三角網(wǎng)以及構(gòu)建軟件進(jìn)行獨(dú)立分析和展示。另外，在正射影像數(shù)據(jù)提取的過程中，要確保數(shù)據(jù)的數(shù)量和精度，為整體的模型提供精確的紋理[6]。紋理信息的獲取主要依靠掃描儀上安裝的數(shù)碼相機(jī)，紋理需要與最終形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三角網(wǎng)進(jìn)行疊合，才能夠使紋理圖像的位置更加精準(zhǔn)，且具備糾正和縮放等功能。

圖4 道路工程橫斷面擬定（單位：m）

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)為工程測量作業(yè)提供了大量的可行性依據(jù)。探究三維激光掃描技術(shù)的類型和運(yùn)行原理，能夠?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)在工程測量領(lǐng)域中的應(yīng)用提供技術(shù)支持，同時(shí)也可以提供創(chuàng)新和升級的依據(jù)。相關(guān)人員應(yīng)致力于對三維激光掃描技術(shù)的進(jìn)一步研究，拓展該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景。