三维激光扫描技术在分方测量中的应用研究

2012-09-22欧斌黄承亮

城市勘测 2012年2期

欧斌，黄承亮

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引言

随着计算机技术的快速发展和科学技术的不断进步，将现实世界的实体信息快速地转换为计算机可以识别处理的数据已经不再是人类的梦想。科技的创新、不断涌现的新技术给人们的生产、生活带来了巨大的变化，同时也为空间数据获取提供了各种各样的新方法和新手段，推动三维空间数据获取向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展。三维激光扫描技术就是这个信息时代的产物。利用该技术可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。该系统主要是由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行进一步的分析和数据处理。

三维激光扫描技术作为一种先进的测量技术，可以应用于工程测量、地形测量、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、工业制造、变形测量、加工检测、施工监测、事故调查、历史古迹的调查与恢复以及特殊动画效果的测量等领域，具有广泛的应用前景。

分方测量是工程测量的主要组成部分之一，分方测量得到的测量结果对施工预算和造价都有直接的影响。传统的分方测量方法是采用全站仪进行逐点采集，这种方法耗费时间多，人力多，并且采集数据间隔大，不均匀，有时无法真实反映其实际方量情况。因此，本文引进三维激光扫描技术对分方测量进行应用研究。

2 分方测量应用研究方案

三维激光扫描技术与传统测量方法在分方测量中的优势有:

(1)测量速度快、效率高，最高达 300 000点/秒;

(2)测量密度高、测量精度高，最小的可以采用2 mm采样间隔扫描，最高可达到 5 mm的点位精度。

(3)采用完全非接触的方式对目标进行扫描测量，可以解决危险领域的测量，需要保护对象的测量以及人员不可到达位置的测量等工作。

(4)测量范围广，可以进行扫描视场角为360°×100°的扫描，最远可以达到 1 400 m的扫描距离。

本次应用研究与生产相结合，选择了一个需要进行分方测量的工程进行，在该工程范围内基本为空旷区，少部分地方有植被覆盖，作业时，首先应用GPSRTK技术在工程区域内，布设并测量了若干个控制点。选择RIEGL VZ－1000激光扫描仪对该区域进行扫描。扫描时，把仪器依次架设在每个控制点上，进行全圆360°的扫描，扫描间隔设置为 100 m处 0.03 m的间距，并保证每站扫描数据之间有30%的重叠区域。最终一共进行了7站扫描，共花费时间为 4 h，扫描范围为 0.8 km2。

同时在工程范围内选取部分区域采用全站仪进行了数据采集，其目的是与激光扫描采集的数据进行对比。测量时把全站仪架设在相同的控制点上，进行对中整平，后视定向，采用 8 m～10 m点间隔进行高程采样，整个外业数据采集花费了3个标准组日，共采集0.2 km2数据进行对比。

3 数据处理

应用RIEGL自带的处理软件RISCAN PRO对扫描数据进行数据处理。首先对7站数据进行点云数据拼接，拼接时依次在每站扫描数据中输入设站点点位坐标，由于外业数据采集时保证了每站扫描数据之间有30%的重叠区域，通过对处理软件的参数及处理方法设置，软件进行自动拼接，拼接之后得到的点云数据如图1所示。

图1 拼接后整体点云数据

图2 剔除植被前点云数据

图3 剔除植被后点云数据

由于工程范围内，有部分地表被植被覆盖，因此为了得到真实的地表数据，需要对植被进行剔除，如图2所示。运用RISCAN PRO的植被剔除功能，采用一定间隔范围内保留最低高程点的方法，对扫描数据进行处理，得到剔除植被后的点云数据，如图3所示。通过剔除植被前后数据的比较，可以清晰发现地表的树木等植被被剔除干净，得到了符合真实情况的地表数据，同时说明RISCAN PRO软件剔除植被的效果比较明显。

由于扫描的点云数据间隔小，数据量大，需要对数据进行抽稀，得到适合方量计算的有效数据。因此对处理后的点云数据进行抽稀，得到以 0.3 m间隔的点云数据，作为方量计算的原始数据。然后把数据导入清华山维图形处理软件，如图4，以点云数据为基础建立三角网图，然后再提取 10 m×10 m格网，最后运用其方量计算功能，根据设计高程进行方量计算。

图4 点云数据

同时把全站仪测量数据导入清华山维图形处理软件与扫描仪数据进行对比，为区分点位，图中采用灯杆符号表示全站仪采集数据，标注其高程，选取其周边最近点云数据点标注高程进行对比，如图5所示。可以发现两者测量数据的高程误差基本在 2 cm～3 cm之间，两者的测量数据质量相同，都能满足分方测量的要求，说明三维激光扫描技术在分方测量方面的应用是可行的，同时三维激光扫描测量方法的测量速度，数据处理效率都远高于常规测量方法，因此三维激光扫描技术在分方测量方面有更大的优势和应用前景。