工程測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

1、<p>　　工程測(cè)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(dāng)前地球空間信息科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,由于自然界空間對(duì)象的紛繁復(fù)雜,傳統(tǒng)的地學(xué)三維數(shù)據(jù)采樣率較低,難以準(zhǔn)確地表達(dá)地學(xué)對(duì)象的真實(shí)狀況,使得三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取在空間信息科學(xué)領(lǐng)域顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,將現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體信息快速地轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是人類的夢(mèng)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(dòng)三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實(shí)時(shí)化、動(dòng)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(gè)信息獲取時(shí)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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)變化、真實(shí)形態(tài)特性的信息。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：工程測(cè)繪；三維激光掃描；技術(shù)；應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TB2

3、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　在空間數(shù)據(jù)的測(cè)量中，獲取三維數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的工作，三維測(cè)量目標(biāo)包括空間精細(xì)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(shí)世界的各種形體。如何準(zhǔn)確、有效地從實(shí)物樣件上采集復(fù)雜三維表面數(shù)據(jù)，進(jìn)而能快速地變成高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)軟件中的三維數(shù)學(xué)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(hù)、城市測(cè)繪、GIS數(shù)據(jù)獲取、工程測(cè)量、地形測(cè)量等各種測(cè)量領(lǐng)域，可發(fā)揮較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(shí)景復(fù)制技術(shù)”，全部所采集的三維建模數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)都能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口的格式轉(zhuǎn)換更為方便地為各種工程軟件來(lái)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(jī)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(hào)。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(qiáng)型,能夠遠(yuǎn)距離進(jìn)行工作

6、；ILRIS—36D的掃描空間比較廣，面積達(dá)，可以旋轉(zhuǎn)掃描；ILRIS—3DMC適合于車載和船載進(jìn)行移動(dòng)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(diǎn)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(duì)象進(jìn)行的高精度測(cè)量。此外，地面三維激光影像掃描儀也可以應(yīng)用在復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的建模與測(cè)量、房產(chǎn)圖測(cè)量與房屋建模、災(zāi)害三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工程建筑物變形監(jiān)測(cè)、礦山及隧道測(cè)量、事故災(zāi)害評(píng)估和大型水利工程安全監(jiān)測(cè)與研究等方面。 </p><p>　　2 實(shí)例分析——脈沖式三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用 </p><p>　　2.

8、1脈沖式三維激光掃描儀的測(cè)量原理如下： </p><p><b>　　距離測(cè)定 </b></p><p>　　脈沖式三維激光掃描儀的測(cè)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(jí)激光脈沖，投射到被測(cè)量物體上后，由接收器接受到反射光，參考高精度時(shí)鐘記錄下激光脈沖往返時(shí)間差.測(cè)距儀與被測(cè)物之間的距離即為光速和時(shí)間差乘積的一半。光速的精度

9、可以通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量影響大氣折射率的幾個(gè)條件（氣溫、氣壓等）來(lái)提高，時(shí)間的精度可通過(guò)一系列的判別技術(shù)來(lái)提高。脈沖式測(cè)距較遠(yuǎn)，但隨著距離的增長(zhǎng)，精度也會(huì)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(shí)，點(diǎn)位精度為±2mm～±10mm。 </p><p><b>　　角度的控制和測(cè)定 </b></p><p>　　脈沖式三維激光掃描儀測(cè)定激光

10、脈沖的垂直角和水平角時(shí)，采用了內(nèi)置伺服馬達(dá)控制系統(tǒng)，這與常規(guī)測(cè)量手段中度盤的作用類似，但不同的是借助全反射來(lái)實(shí)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(lái)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(lái)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(dòng)掃描鏡來(lái)調(diào)整，同樣是通過(guò)鏡體的旋轉(zhuǎn)來(lái)改變?nèi)肷浣嵌龋嵌茸兓?，不需要完?60o旋轉(zhuǎn)。調(diào)整單一點(diǎn)位的激光脈沖出射角度，只需要通過(guò)電脈沖信號(hào)完成驅(qū)動(dòng)棱鏡的微電機(jī)

11、精確控制即可，記錄電脈沖信號(hào)同時(shí)也就是記錄了與激光脈沖的實(shí)時(shí)角度。常規(guī)的掃描儀測(cè)角精度為±1"～±12"。通過(guò)馬達(dá)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(shí)也為了減小垂直激光點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)全

12、景掃描的。 </p><p>　　掃描出的空間點(diǎn)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(biāo)系中，所以還需要通過(guò)預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)地的測(cè)量坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換通常借助常規(guī)測(cè)量或GPS為空間極坐標(biāo)系原點(diǎn)賦予x,y,z坐標(biāo)和正北方向，通過(guò)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(diǎn)/s～50000點(diǎn)/s，點(diǎn)位采集間距可達(dá)到數(shù)厘米，可在一個(gè)小時(shí)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(cè)量方式相比較，作業(yè)效率顯著提升。又因?yàn)槭褂萌皽y(cè)量的方式，大范圍內(nèi)的點(diǎn)位相對(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。通過(guò)處理軟件，首先，使用采集到的影像作為檢測(cè)和修正參考，進(jìn)一步提高空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度；其次，依據(jù)處理過(guò)的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)為被測(cè)區(qū)域建立三維空間模型；最后，對(duì)影像進(jìn)行處理，作為三維空間模型

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

15、式單一，精度評(píng)定不全面；由于激光脈沖產(chǎn)生的頻率是固定的，致使測(cè)量精度和測(cè)量效率之間成為反比的關(guān)系；由于激光脈沖測(cè)量的特性，記錄任何物體的反射信號(hào)，且不具備穿透性，對(duì)于遮擋后的物體，無(wú)法測(cè)量完整，常用的修正手段對(duì)于距離不規(guī)則的遮擋無(wú)效；大面積地形測(cè)量產(chǎn)生的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)所包含的點(diǎn)位信心是巨大的，為存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)相當(dāng)大的不便，處理時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)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(cè)繪科學(xué)的領(lǐng)先技術(shù)之一，還是具有突出的優(yōu)勢(shì)。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，脈沖式三維激光掃描技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，在推動(dòng)測(cè)繪的空間性和即時(shí)性發(fā)展上起到更為重要的作用。 </p><p><b>　　3結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　?。?）三維激光掃描系統(tǒng)是具有快速、細(xì)致以及高精度的這些特點(diǎn)。而如果讓其應(yīng)用在地形測(cè)繪的領(lǐng)域，就可以減輕測(cè)繪工作人員的作業(yè)強(qiáng)度，和減少作業(yè)時(shí)

17、間，進(jìn)而提高測(cè)繪效率，而且測(cè)繪也能夠得到一個(gè)讓人滿意的結(jié)果。 </p><p>　?。?）運(yùn)用三維激光掃描系統(tǒng)在進(jìn)行地形的測(cè)繪成圖的工作時(shí)，也需要GPS、全站儀等設(shè)備來(lái)進(jìn)行配合，從而空間每一個(gè)測(cè)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(cè)繪成圖的質(zhì)量也會(huì)受到很多外在的因素影響，例如與測(cè)站的定位精度和目標(biāo)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(guò)程中就要盡可能地減少外在的因素對(duì)整個(gè)掃描質(zhì)量的影響，從而獲得更高質(zhì)量的測(cè)繪成果圖。 </p><p>　?。?）三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)繪成圖的工作，是對(duì)于傳統(tǒng)地形測(cè)繪工作的有力補(bǔ)充，這個(gè)系統(tǒng)是在測(cè)繪工作人員難以到達(dá)的區(qū)域而開(kāi)展數(shù)據(jù)采集方面占有十分大的優(yōu)勢(shì)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>