工程测量与三维测绘技术发展探析

王 欣

（厦门天海图汇信息科技有限公司，福建 厦门 361000）

三维激光测绘建模系统又可以称之为三维激光点云测量建模系统，其与传统的单点测量建模系统不同，三维激光点云测量建模系统采用立体面扫描的测量方式，能够得到被测物体表面大量具有高精度的三维数据点，能够满足对精度要求高的工程。运用三维激光点云测量建模系统可以深入到复杂的施工现场进行建模工作，且能够及时准确的将测得的数据传输到计算机平台上，从而在计算机系统上构建出被测物体的三维立体模型。同时因为三维激光扫描点云测量建模系统配置了像素较高的摄像机，使得通过该扫描建模系统采集到的点云数据不仅包含了被测物体的空间信息，还记录了被测物体的反射强度信息。通过计算机平台将采集到的三维点云数据进行处理，能够很好的实现测量、建模、分析等功能。

1 工程测量的基本概念

工程测量指的是在一个项目施工前期需要对整个工程项目进行基础勘察，且在工程施工建造期间的各个环节对与自身全部的工程质量的数据进行专业的勘测，并将所勘测全部数据进行分析为接下来的建造环节提供参考。近几十年来因为科学技术的不断发展，计算机技术，工程测量技术，电子电工技术，飞速发展，早已融入到我们生活中的方方面面，因此当下的社会早已变为了信息化时代。因为这些技术的出现，使得传统的工程测量方式已基本被摒弃，采用计算机与新式的三维测绘技术进行工程测量与评估，较以往很大程度上的提高了工程测量与评估的精准性。自从我国改革开发以来，就开始大量的从西方发达国家引进新式的工程测量技术与工具，发展至今，已基本实现从单一的测量方式转变为三维一体的测量方式，这对我国今后的社会主义发展建设有些很重要的意义[1，2]。

2 项目的研究背景及意义

随着现今建设工程项目的增多且建设难度越来越大，传统的测绘手段已无法满足现今时代的需求。一种全新的测绘技术应用而生即三维激光测绘建模系统，且在测绘工程领域中发挥着非常重要的意义。三维激光测绘建模系统出现在上世纪九十年代，是测绘领域内继GPS 技术之后的又一次技术革命。该扫描建模系统打破传统的测量建模方式，对被测物体扫描一次就能够得到大量的点云数据，这种采点效率是传统测绘技术无法比拟的。且随着计算机技术的发展，三维激光点云建模系统已充分的结合计算机技术能够更加快速的完成测量建模任务。

对被测物体进行三维激光扫描能够快速的得到被测物体的点云数据，再通过计算机平台对获取的点云数据对被测物体进行精准的进行三维模型重构，在我们的各个生产领域都发挥着重要的作用。通过计算机平台对扫描采集而来的点云数据进行预处理是点云数据处理和使用的基础，这个过程会直接影响后期三维建模的精度与效率。点云数据因为包含的数据量特别多，能够更加全面的表达被测物体。因为点云数据具备的这些特点会给数据的运算、处理及储存带来了更大的困难。大量的点云数据处理需要强大的计算机技术支撑，且通过计算机平台处理点云数据可能会导致计算机出现死机的情况，一旦这种情况出现将会影响点云数据的处理效率进而影响建模效率，所以对采集的点云数据进行精简化就显得尤为重要。在保证对被测物体模型特征和重构不受影响的情况下，尽可能的压缩点云数据量，对三维激光点云融合云计算平台的创新运用与发展有着很重要的意义。通过以山西省的矿山的点云数据为实验依据，进行点云数据精简化处理，保留了点云数据原有主体框架不被影响为后期的点云数据处理和重构提供了良好的数据基础。

随着我国经济发展的加快，人们对于能源的需求与日俱增，然而我国发展使用的能源大部分在几百米深的矿山之下，基于此种原因三维激光测绘技术融合云计算平台的创新运用也得到了很大的发展，三维激光测绘技术对今后的工程建设有着很重要的意义。三维激光扫描建模技术突破的传统的单点测量建模方法，通过高速的激光扫描被测物体，能够快速精确的测取被测物体表面的三维信息数据，三维激光扫描建模技术具有高精度、高效率和不必接触等特点，三维激光扫描建模技术的这些特点使得其拥有广阔的应用前景，在测绘工程、城市保护、建筑行业等领域都有很广泛的应用。

3 三维测绘技术简介及工程测量中三维测绘技术的应用

（1）三维激光测绘技术简介。三维激光测绘建模系统主要包括激光测距系统，激光扫描系统，和高清相机系统。激光扫描头、激光控制器和计算机储存系统构成三维激光扫描系统。在扫描系统内部中激光控制器发射激光脉冲，通过两个反射镜快速转动，将激光控制器发射出的激光脉冲依次扫过被测物体，通过测量物体表面的反射作用反射回来的脉冲所耗费的实践来计算出距离，同时通过扫描系统中的编码器测量每个反射会来的脉冲角度，即可以得到被测物体的真实三维坐标。将得到的这些坐标通过计算机平台处理就可以在电脑显示器上看到真实的被测物体的点云图。

（2）三维激光测绘技术的应用。人类社会进入工业时代以后，各种科学技术不断出现，经过几百年的发展，传统的2+1 测绘技术已相当成熟，但随着人类生产活动的所需对测绘技术的要求越来越高，传统的2+1 测绘技术就显得很难满足我们的需求，基于此种原因三维激光测绘技术开始出现在我们的视野中。三维激光测绘技术出现之后能够很好的解决以下问题：①工程设计，当下CAD 软件非常普遍，三维激光测绘技术开始在CAD软件中大量使用。②工程施工，由于我国经济发展飞速，民众在解决了温饱问题之后开始对住房的要求越来越高，导致当下建筑物的结构越来越复杂，如果还按照传统的测绘施工方法则会导致施工建造的效率大打折扣，但随着三维激光测绘技术的出现，施工单位通过使用三维激光测绘技术采集到的数据用来指导建造施工则很好的解决了这种问题。③矿山工程，在传统的矿山测绘工程中，用到的测绘工具主要有GPS，全站仪及水准仪等设备，虽然采用这些仪器能够较为精准的测量到矿山的基本数据，但是测量的周期较长且无法整体测绘矿山的全部范围，虽然现在我国也开始使用无人机进行矿山测绘，但其采集到的数据精度也不是很理想，满足不了绘图工作。但随着三维激光测绘技术的使用，这种问题便很好的被解决。

4 通过计算机技术对三维激光测绘扫描所得点云数据分割提取及精简化

通过三维激光扫描建模系统获得的点云数据具有重叠性，为了在计算机上构建精确的三维模型就要求我们对获得的点云数据进行一个精简化的分割处理，以次来剔除多余的点云数据。通过对点云数据进行分割提取与精简化处理能够提高点云数据后期的处理效率，减少点云数据占用的计算机空间，极大程度的提高了点云数据的实用性。对获取的点云数据进行分割提取和精简化处理，能够为后期在计算机平台点云数据工作和三维模型构建提供极大的便利。

（1）点云数据的分割处理。点云数据的分割处理过程是将获取的全部的点云数据分成若干个部分，因为分割得到的这些部分都有一定的关联，即形成多个相交互补的子集，每个子集相交互补部分的点云数据具有相同的信息，即将目标点云数据从获取的全部点云数据中分割出来。通过三维激光扫描建模系统采集而来的点云数据无法像传统扫描建模系统那样进行选取，其会将被测物体所有的数据都采集下来，因此采集的到的点云数据会有大量的重复数据，所以我们需要将重复的数据剔除并将目标的点云数据分割出来。点云数据的分割提取方法主要有手动分割提取，自动分割提取两种方法，对于矿山这种大型被测物来说通过三维激光扫描建模系统扫描得到的点云数据量特别大，且重复数据特别多，点云数据也十分复杂，所以依靠计算机平台中自动分割提取的方法不适用矿山的点云数据分割。

三维激光点云融合云计算平台发展多年，出现了许多能够实现手动分割提取点云数据的软件工具，例如使用Cyclone9.1 点云处理软件便能够高效的实现手动提取像地铁站这种大型建筑的点云数据。通过该软件手动提取的点云数据能够很好的为后期的三维建模提供极大的便利。

（2）点云数据提取过程。打开Cyclone9.1 点云处理软件，对矿山的一个巷道做点云数据分割提取实验。首先输入选定的坐标参数，然后开始计算，该软件便会自动计算出包围参数。然后再将获取的做数据导入该软件，软件将会自动计算出点云数据量并显示再电脑显示器上，最后点击分割提取对点云数据进行分割提取。

5 三维激光测绘技术在矿山测量中的应用分析

（1）前期控制测量。想要大幅度提高测绘技术精度，三维激光测绘技术离不开GPS 技术的支持，且GPS 技术是精度较高的一项技术，在控制测量中，矿山控制测量是及其重要的内容，必须严格的按照从整体到局部的细化原则进行测量，在测量结束后，后期的测绘过程中，如何根据测量所的到的数据在计算机平台中构造矿山的信息及其重要。由于传统的矿山测绘手段无法满足当下测绘工作的需求，所以如何实现矿山数据采集尤为重要。

（2）在矿山测量方面的应用。矿山的测量工作是一项非常危险及存在众多不确定因素的测量工作。在具体的测量过程中很容易受到矿山众多不确定因素的影响，例如在矿山井下进行测量工作，因为存在着诸多不确定性因素，加之使用传统的测量技术，导致测量所得的数据存在着很多的误差。现今使用的三维激光测绘技术系统能够很好的完成矿山中的测绘任务，其凭借着简单的操作性及测量的精准性推动了我国矿山工程的发展，例如在山西省大同市同煤集团下属的煤矿，在进行煤矿井下测绘任务时就采用了三维激光测绘技术，对井下坑道进行勘察过后利用三维激光扫描获得了大量精准度极高的数据（点云数据），然后通过计算机技术在电脑上进行点云数据的处理，完成了建模过程。采用这种测绘方式能够精确的还原煤矿井下坑道的真实情况。在该煤矿中，由于采用了三维激光测绘对井下坑道进行了测绘，对过对测绘结果的分析研究及时的发现了井下坑道存在的安全隐患，成功的预防了安全事故的发生，有效的提高了井下工作人员的安全等级，有效的提高了开采企业的经济效益。

6 三维激光测绘今后发展的趋势

（1）三维激光测绘量的标准及规范。虽然三维激光测绘技术经过多年的发展到相对来说实际应用时间还有些短，且现今任然没有形成一个统一的标准，基于此种原因三维激光测绘市场在缺乏完整的制度规范显得十分混乱，各种品牌的三维激光测绘技术所使用的物理量及符号代码也不同，使得有些施工单位在进行三维激光测绘时，由于技术没有标准，导致没能对测绘结果进行准确的分析，因此无端增加了测量工作人员的工作难度。

（2）三维激光测量的理论研究。众所周知三维激光测绘技术是在传统的2+1 测绘技术上发展而来，在没有增加坐标维数的情况下只是提升了系统内部的复杂程度，从而建立了全方位的三维立体空间，且建立了三维激光测绘的理论体系。因此在对三维激光测绘进行理论研究时正是在研究其关于空间的测量及数据采集，输出等技术。

7 结束语

综上所述，随着三维激光测绘技术创不断地发展，取得了很大的进步，在点云数据的处理与三维构建模型方面国内外科研人员取得了很多成果。不仅其适用的领域越来越广泛，在大型建筑工程测量和三维建模中发挥的作用也越来越大。但是在一些方面还是不够成熟，所以就需要我们在今后的日子里仍需加大对该技术的资金投入力度，持续推动三维激光测绘技术的发展进步。