工程測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

1、<p>　　工程測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　摘要：空間信息獲取技術(shù)是當前地球空間信息科學研究的熱點問題之一,由于自然界空間對象的紛繁復雜,傳統(tǒng)的地學三維數(shù)據(jù)采樣率較低,難以準確地表達地學對象的真實狀況,使得三維數(shù)據(jù)實時獲取在空間信息科學領(lǐng)域顯得尤為重要。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和科學技術(shù)的不斷進步,將現(xiàn)實世界的實體信息快速地轉(zhuǎn)換為計算機可以識別處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是人類的夢想。科技的

2、創(chuàng)新、不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)為空間數(shù)據(jù)采集提供了各種各樣的新方法和新手段,推動三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)就是這個信息獲取時代的產(chǎn)物,該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段,能夠快速的獲取反映客觀事物實時、動態(tài)變化、真實形態(tài)特性的信息。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：工程測繪；三維激光掃描；技術(shù)；應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號：TB2

3、文獻標識碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　在空間數(shù)據(jù)的測量中，獲取三維數(shù)據(jù)是一個重要的工作，三維測量目標包括空間精細的物件，也可以是高大的建筑物或龐雜的地形地貌等現(xiàn)實世界的各種形體。如何準確、有效地從實物樣件上采集復雜三維表面數(shù)據(jù)，進而能快速地變成高質(zhì)量的計算機軟件中的三維數(shù)學模型目前仍然存在很大的障礙。三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用

4、于文物保護、城市測繪、GIS數(shù)據(jù)獲取、工程測量、地形測量等各種測量領(lǐng)域，可發(fā)揮較大的經(jīng)濟和社會效益。 </p><p>　　1三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 </p><p>　　1.1三維激光掃描技術(shù)原理 </p><p>　　三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實景復制技術(shù)”，全部所采集的三維建模數(shù)據(jù)和三維點云數(shù)據(jù)都能夠通過標準接口的格式轉(zhuǎn)換更為方便地為各種工程軟件來直接使用

5、。 </p><p>　　1.2設(shè)備分類及性能 </p><p>　　三維激光掃描設(shè)備可分為機載類和地面類。地面掃描設(shè)備根據(jù)掃描的方式不同可以分為車載、地面和船載。地面掃描設(shè)備按其功能可以分為ILRIS—3DVP、ILRIS—3DER、ILRIS—36D和ILRIS—3DMC四種型號。ILRIS—3DVP是最基本的掃描設(shè)備，使用范圍比較廣；ILRIS—3DER距離增強型,能夠遠距離進行工作

6、；ILRIS—36D的掃描空間比較廣，面積達，可以旋轉(zhuǎn)掃描；ILRIS—3DMC適合于車載和船載進行移動掃描。 </p><p><b>　　1.3系統(tǒng)組成 </b></p><p>　　三維激光掃描設(shè)備由軟件和硬件組成，硬件為三維激光掃描儀，軟件包括點云影像后處理系統(tǒng)。 </p><p>　　1.4三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 </p>

7、;<p>　　應(yīng)用范圍非常廣泛，主要有建筑物、地形以及其他對象進行的高精度測量。此外，地面三維激光影像掃描儀也可以應(yīng)用在復雜工業(yè)設(shè)備的建模與測量、房產(chǎn)圖測量與房屋建模、災(zāi)害三維實時監(jiān)測、工程建筑物變形監(jiān)測、礦山及隧道測量、事故災(zāi)害評估和大型水利工程安全監(jiān)測與研究等方面。 </p><p>　　2 實例分析——脈沖式三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用 </p><p>　　2.

8、1脈沖式三維激光掃描儀的測量原理如下： </p><p><b>　　距離測定 </b></p><p>　　脈沖式三維激光掃描儀的測距方式和常用的免棱鏡全站儀的激光模式很類似，都是由激光發(fā)生器發(fā)射出CLASSⅠ級激光脈沖，投射到被測量物體上后，由接收器接受到反射光，參考高精度時鐘記錄下激光脈沖往返時間差.測距儀與被測物之間的距離即為光速和時間差乘積的一半。光速的精度

9、可以通過準確測量影響大氣折射率的幾個條件（氣溫、氣壓等）來提高，時間的精度可通過一系列的判別技術(shù)來提高。脈沖式測距較遠，但隨著距離的增長，精度也會逐步降低，目前常規(guī)的脈沖式三維激光掃描儀，掃描距離為100米時，點位精度為±2mm～±10mm。 </p><p><b>　　角度的控制和測定 </b></p><p>　　脈沖式三維激光掃描儀測定激光

10、脈沖的垂直角和水平角時，采用了內(nèi)置伺服馬達控制系統(tǒng)，這與常規(guī)測量手段中度盤的作用類似，但不同的是借助全反射來實現(xiàn)的。水平角的改變主要是由正多面體掃描棱鏡的旋轉(zhuǎn)來完成的。激光脈沖射向掃描棱鏡鏡體產(chǎn)生全反射，棱鏡旋轉(zhuǎn)帶來入射角度的變化，從而改變脈沖的反射角度。激光脈沖的垂直角則由擺動掃描鏡來調(diào)整，同樣是通過鏡體的旋轉(zhuǎn)來改變?nèi)肷浣嵌龋嵌茸兓?，不需要完?60o旋轉(zhuǎn)。調(diào)整單一點位的激光脈沖出射角度，只需要通過電脈沖信號完成驅(qū)動棱鏡的微電機

11、精確控制即可，記錄電脈沖信號同時也就是記錄了與激光脈沖的實時角度。常規(guī)的掃描儀測角精度為±1"～±12"。通過馬達控制系統(tǒng)，激光脈沖完成以激光發(fā)射器為中心，球形區(qū)域的地貌掃描。為了提高掃描效率，同時也為了減小垂直激光點云的光斑變形，大部分掃描儀在垂直方向上有極限角度，一般為70o左右。 </p><p>　　2.2脈沖式三維激光掃描儀的全景掃描正是上述兩種手段的結(jié)合來實現(xiàn)全

12、景掃描的。 </p><p>　　掃描出的空間點云數(shù)據(jù)是以激光發(fā)射器為中心的自定義空間極坐標系中，所以還需要通過預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換為實地的測量坐標。轉(zhuǎn)換通常借助常規(guī)測量或GPS為空間極坐標系原點賦予x,y,z坐標和正北方向，通過處理軟件求出平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)。 </p><p>　　常規(guī)的脈沖式三維激光掃描儀的掃描速率在10000點/s～50000點/s，點位采集間距可達到數(shù)厘米，可在一個小時里

13、完成數(shù)平方公里高密度空間云數(shù)據(jù)的采集，與常規(guī)測量方式相比較，作業(yè)效率顯著提升。又因為使用全景測量的方式，大范圍內(nèi)的點位相對精度和可信度很高。 </p><p>　　脈沖式三維激光掃描技術(shù)可與影像采集技術(shù)相結(jié)合，即時實現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。通過處理軟件，首先，使用采集到的影像作為檢測和修正參考，進一步提高空間點云數(shù)據(jù)的精度；其次，依據(jù)處理過的空間點云數(shù)據(jù)為被測區(qū)域建立三維空間模型；最后，對影像進行處理，作為三維空間模型

14、的紋理，在短時間內(nèi)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集到成果輸出的過程。 </p><p>　　脈沖式三維激光掃描作為一種新測量技術(shù)，與其它測繪技術(shù)相比，發(fā)展時間并不長，所以不可避免的存在部分不足，這導致其在地形圖測繪上應(yīng)用十分狹窄,只是作為一種輔助的測量手段，配合常規(guī)測量使用。激光脈沖會因為過高的入射角度，導致投射到被測物上的光斑變形，精度下降；由于依靠反射脈沖信號測區(qū)，對一些反射率比較低的物體，測量效果下降，甚至產(chǎn)生點盲區(qū)；檢校方

15、式單一，精度評定不全面；由于激光脈沖產(chǎn)生的頻率是固定的，致使測量精度和測量效率之間成為反比的關(guān)系；由于激光脈沖測量的特性，記錄任何物體的反射信號，且不具備穿透性，對于遮擋后的物體，無法測量完整，常用的修正手段對于距離不規(guī)則的遮擋無效；大面積地形測量產(chǎn)生的空間點云數(shù)據(jù)所包含的點位信心是巨大的，為存儲和傳輸帶來相當大的不便，處理時對計算機軟硬件要求很高，處理速度緩慢。 </p><p>　　盡管存在不足，脈沖式三維激

16、光掃描作為測繪科學的領(lǐng)先技術(shù)之一，還是具有突出的優(yōu)勢。隨著相關(guān)技術(shù)的進步，脈沖式三維激光掃描技術(shù)會越來越成熟，在推動測繪的空間性和即時性發(fā)展上起到更為重要的作用。 </p><p><b>　　3結(jié)語 </b></p><p>　?。?）三維激光掃描系統(tǒng)是具有快速、細致以及高精度的這些特點。而如果讓其應(yīng)用在地形測繪的領(lǐng)域，就可以減輕測繪工作人員的作業(yè)強度，和減少作業(yè)時

17、間，進而提高測繪效率，而且測繪也能夠得到一個讓人滿意的結(jié)果。 </p><p>　?。?）運用三維激光掃描系統(tǒng)在進行地形的測繪成圖的工作時，也需要GPS、全站儀等設(shè)備來進行配合，從而空間每一個測站的位置也就確定了。 </p><p>　?。?）若利用三維激光掃描系統(tǒng)得到的地形測繪成圖的質(zhì)量也會受到很多外在的因素影響，例如與測站的定位精度和目標物體的反射面有關(guān)的誤差以及一些外界環(huán)境條件等。所

18、以在使用的過程中就要盡可能地減少外在的因素對整個掃描質(zhì)量的影響，從而獲得更高質(zhì)量的測繪成果圖。 </p><p>　?。?）三維激光掃描系統(tǒng)進行地形測繪成圖的工作，是對于傳統(tǒng)地形測繪工作的有力補充，這個系統(tǒng)是在測繪工作人員難以到達的區(qū)域而開展數(shù)據(jù)采集方面占有十分大的優(yōu)勢。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>