地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

摘要：在工程测量中使用传统的方式不仅会降低测量工作效率，而且还会降低测量的准确度。随着科学技术的不断发展，地面三维激光扫描技术属于一种新型测量方式，已经在不同测量领域中发挥重要作用，具有测量速度快、精准度高、操作方式等优势，于是文章将其运用到工程测量中进行分析，目的在于促进我国工程测量的发展，增加其精确度和效率。首先分析了三维激光扫描技术的分类和原理，然后将地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用进行分析，分别在土方量计算、道路竣工测量、地形图测绘和三维建模四个方面进行应用。总之，地面三维激光扫描技术性能优异、功能强大，能够在工程测量中发挥重要作用。

关键词：地面三维激光扫描技术;工程测量;应用

中图分类号：P225.2;TU198+.2

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0094-04

三维激光扫描技术中包含伺服马达和扫描电镜，使用激光进行扫描，然后能够得到不同点的三维坐标和纹理信息，根据这些信息数据能够获得精确度较高的三维模型[1-2]。该技术的强大功能在测绘领域中发挥非常重要的作用。如今地面三维扫描技术被越来越重视，属于一种新型测量方式，在大坝变形监测、地形测绘、文物保护测绘等领域中有着重要作用，能够提高测绘效率和准确度[3-4]。如今工程测量如果还是用传统的测绘方式将会很难得到更加精准的模型，而且效率还很低，所以文章将地面三维激光扫描技术应用于工程测量中，并且分析在工程测量的不同方面进行使用，目的在于提高工程测量的工作效率和准确度，从而促进我国工程测量的发展。

1 三维激光扫描技术的分类及原理分析

按照测量方式可以将地面三维激光扫描技术分为移动式激光扫描技术和固定式激光扫描技术[5]。固定式三维激光扫描技术的应用更加广泛，使用频率更加频繁，该技术比较类似于全站仪，但是又与全站仪不同，不同之处在于该技术获取的“点云”数据，而且具有精度高、范围广、速度快的特点，其野外操作方式比较简单。另外一个类别的扫描技术是以车载平台为基础，这种技术还出于探索阶段，所以其应用没有固定式激光扫描技术广泛。

三维激光扫描技术的核心原理就是通过使用激光进行测量距离，如图1所示，当其处于工作状态时，就会不断对数据进行采集和处理[6]。通过使用激光，然后得到扫描反射接收的激光强度，然后对其进行匹配颜色灰度。三维激光扫描技术中使用的激光扫描仪就是以其內部为坐标原点，然后对目标进行扫描，一般情况下，将X轴和Y轴作为目标的水平面，其中Y轴就是扫描方向，Z轴就是垂直方向，于是可以得某点的坐标为，该坐标的计算公式如图1所示。

2 三维激光扫描技术在工程测量中的应用

在应用过程中，首先需要了解地面三维激光扫描技术的工作流程，即扫描前的准备阶段和点云数据的获取阶段、配准阶段、处理阶段，所以其流程一共包含4个阶段，其中处理阶段主要是对数据进行去噪、简化和编辑[7]。然后文章将固定式三维激光扫描技术在工程测量的4个不同方向中进行应用，分别为地形图测绘、竣工测量、土方量计算和三维建模，具体应用方式如下。

2.1 地形图测绘中的应用

由于我国地形复杂，存在断臂或者悬崖等区域很难通过常规测绘方式获取，于是可以通过使用固定式三维激光扫描技术对复杂地形进行测绘。使用该方式对地形图进行测绘的主要过程为首先在点云数据处理的基础之上，然后获取相关要素的特征点，最后对这些特征点进行编辑，就能够得到地形图，其具体流程如下：

1）特征点提取和绘制。特征点提取就是将地面的特殊物体进行提取，其中需要使用到地面三维激光扫描技术中的数据处理部分，通过人工提取电线杆中心点、建筑物角点等位置，然后将获取的特征点安装相关的格式进行传输，目的在于将其传到大比例尺数字测图软件中，于是可以通过该软件进行地物测绘。

2）等高线生成。完成地物测绘之后，其中会存在某些不满足要求的地物或者植被等，所以需要将这部分的点云数据进行清除，这种清除方式最好是将人工和自动相结合进行使用，能够增加准确度，图2即为非地貌数据剔除图。在数据剔除过程中可以使用平均面迭代法，使用该方式的主要操作流程为首先将非常明显的非地貌数据进行删除，剩下的数据就比较难以观察，所以将所有数据平均面进行计算，然后将距离该平均面比较远的数据进行删除，此时还不足以删除所有的非地貌数据，需要对其进行迭代，一般情况下需要迭代5-6次，才能够获得精确度比较高的地貌数据。

通过上述操作之后，会存在点位分布不均匀、点位密度比较大的缺陷，所以就会造成等值线效果比较差。所以还需要对点云数据进行处理，使其满足地形测绘的要求，使用的方式为自动抽稀[8]。然后再将相关数据传输到软件中从而自动生成等高线，结果如图3 （b）所示，图3（a）表示的传统等高线，通过2种方式获取的等高线图可知，使用三维激光扫描技术得到的等高线具有更好的表现效果，其可靠度和精确度都有所提高，当然反应实际地形将会更加准确。

3）编辑成图。上述步骤获得的等高线会存在局部缺失、不光滑、扭曲等现象，所以需要进行编辑成图处理。其操作方式就是将等高线图和地物图形进行叠加，然后发现其中存在的不足现象，然后对相关的数据进行调整和编辑，然后在图中标上标志，对图形进行整饰即可。

在地形图测绘中使用地面三维激光扫描技术能够获得精度更高的地貌特征，而且还可以降低采集数据的工作强度。

2.2 土方量计算中的应用

土方量的测量需要使用到不同的仪器，比如水准仪和全站仪等获取土方量的相关测量数据，然后测绘特征点三维坐标，最后通过三维坐标建立TIN得到土方，这种方式获取土方量存在很多缺点，比如工作量大、精度较低，所以将地面三维激光扫描技术应用到土方量的计算中，能够比较陕速的采集到相关数据，然后测绘三维坐标，得到精度比较高的土方量。图4即为使用地面三维激光扫描技术对土方量进行计算的流程。

1）建立基准面。处理完点云数据之后，需要使用最小二乘法的方式将其转化到工程实地坐标系中。在计算挖填土方之前，还需要做好以下工作，即对高程进行设计，然后就是在切取扫描点云，还需要在边界建立起算基准面。基准面在特殊工程中要依据需求进行建立，然后在一般的工程中直接将固定高程的平面作为基准面即可。

2）地物剔除。基準面中也会存在多余的点云数据，此时需要加你剔除，正好与地形图测绘中的非地貌数据剔除比较类似。在计算土方量时可以直接根据数据进行测量，此时需要满足的要求就是该区域存在非常少的植被或者没有植被;然而不满足该要求的地域不能直接进行计算，首先需要对这些植被进行过滤，然后使用平面迭代方法计算土方量。

3） DEM生成和土方量计算。完成上述地物剔除操作之后，于是可以将剩余的点云数据建立不规则三维网TIN，此时能够生成精度非常高的数字高程模型，然后再将其与基准面模型进行相减，就可以得到填挖放方量。

在土方量计算中使用地面三维激光扫描技术主要有以下优势，能够降低野外测绘工作;够高效率得到三维点云数据;提高了土方量计算的精度;任何类型的土方都能够使用该技术进行计算。所以地面三维激光扫描技术在土方量计算中发挥非常大的作用，具有广泛作用，能够提高计算效率和精确度。

2.3 道路竣工测量中的应用

道路作为重要的基础设施，竣工时需要进行测量工作，而其中最重要的就是得到道路的纵横断和样图。使用传统的测量方式不仅测量精度和效率不高，而且还存在较大的工作量。如果将地面三维激光扫描技术应用其中，直接通过激光进行扫描即可得到纵横断和样图，使用这种测量方式的工作效率相比于传统测量方式效率提高了4倍，而且还提高了测绘的精确度。将地面三维激光扫描技术应用到道路竣工测量中的工作流程比较简单，大体上可以分为3个步骤，即在点云数据处理的基础之上，第1步是转换坐标系;第2步就是提取点的三维坐标，如图5所示，提取相应点时需要按照一定间隔，于是可以直接自动生成等高线，如图6所示;第3步就是绘制纵横断和样图，如图7所示。

2.4 三维建模中的应用

我国属于四大古国之一，存在比较多的古建筑，并且对这些古建筑的保护非常重要。地面三维激光扫描技术能够构建精细化的三维模型，能够在不接触古建筑的情况下获取相关数据，从而构建三维模型，将古建筑的细节特征测绘出来，对文物保护工作有着重要作用。于是将地面三维激光扫描技术应用到三维建模中的主要工作流程如下所示：①建模。任然是将点云数据处理作为基础，使用地面三维激光扫描技术进行建模的方式有两种，第一种方式是依据点云构建三角网模型，另外一种方式是依据点云数据采用3dsmax进行建模。第一种方式需要确定云数据疏密程度，然后还要求三角网的数量要有比较多的纹理信息;第二种方式就是通过使用点云数据绘制规则形体的剖面，且需要满足一定的精度要求;②纹理映射。该工作的主要作用就是实现三维模型的真实感，使得绘制的模型能够与实际建筑相同。完成该步骤的主要方式就是通过使用扫描仪上的数码相机得到纹理信息，然后完成纹理映射工作。完成之后还需要对纹理图像进行缩放、纠正和匹配处理。

2.4.1 精细三维建模

通过使用扫描技术能够得到非常多的影像数据和三维点云数据，使用这些数据能够得到古建筑等文物的高精细三维模型.如图8所示，还能够得到某文物中小范围的三维真实尺寸场景。此时的模型还不具备非常真实的效果，然后使用纹理映射可以得到多个彩色三角网面片，然后对其边缘进行处理，然后将多个三角网面片形成一个整体模型，就可以得到真实尺寸彩色三维模型。使用这种方式进行测绘，能够得到更加准确的模型，而且还能够反映建筑实际的效果，能够完成不同距离、凸凹纹理的测量，还能够作为图纸数据。总之使用地面三维激光扫描技术能够进行精细三维建模，并且还表现出比较好的建模效果。

2.4.2 复杂工业设备建模

在工程测量中存在比较复杂的工业建筑，其中涉及到很多的设备管线，对其进行规划和改造时，需要使用到工程测量，而使用传统的测量方式效率和精确度都比较低，于是使用三维激光扫描技术能够生成3D模型，该模型的构建效率快，精确度较高，而且还具有可视化。精确的模型构建，能够给复杂工业的改造提供基础依据。

3 结语

三维激光扫描技术属于当前非常先进的技术之一，能够在测量领域中发挥重要作用，并且在工程测量中具有很好的应用前景。但是在工程测量重视会用该技术还是会存在一定的缺陷，因为该技术的发展比较短，如今的售卖价格还比较昂贵;还有就是扫描仪的校正体系不够完善;对相关的处理软硬件要求比较高等。但是随着时间的发展，人类将对地面三维激光扫描技术进行深入研究，其性能将会变得更加完善，构造成本也会更加便宜，在工程测量中将会有更好的使用效果。

参考文献

[1]董秀军.三维激光扫描技术获取高精度DTM的应用研究[J]-工程地质学报，2007（03）：428-432.

[2]吕翠华，陈秀萍，张东明.基于三维激光扫描技术的城市三维建模方法[J].科学技术与工程，2012（10）：166-170.

[3]董秀军，三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都：成都理工大学，2007.

[4]周华伟，朱大明，瞿华蓥.三维激光扫描技术与GIS在古建筑保护中的应用[J].工程勘察，2011，39（6）：73-77.

[5]马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用[J].地理空间信息，2005，3（003）：60-62.

[6]赵阳，余新晓，信忠保，等.地面三维激光扫描技术在林业中的应用与展望[J].世界林业研究，2010（04）：41-45.

[7]刘云广.基于地面三维激光扫描技术的变形监测数据处理[D].北京：北京建筑大学，2013.

[8]朱宁宁，三维激光扫描监测地铁隧道形变关键技术研究[D].焦作：河南理工大学，2015.

作者简介：王青（1962-），男，汉族，湖南长沙人，工程师，研究方向：计算机应用与地理信息。