关于三维激光扫描技术应用的探讨

关于三维激光扫描技术应用的探讨

摘要：随着三维激光技术（硬件及相关软件）逐渐发展成熟，在各个领域特别是测绘技术领域被广泛应用。本文概略性地论述了三维激光扫描技术的发展，并结合实例分析了此项技术在测量中的应用研究。

关键词：三维激光扫描技术测量地形测绘

1 三维激光扫描技术的发展

随着仪器技术的不断进步，新型高技术含量测绘仪器逐渐取代了一些传统测绘仪器的使用，进而极大地影响了测绘手段的提高和革新，可以为工程施工、相关技术研究提供更准确、快捷的数据服务。

扫描仪硬件的进步：

（1）扫描速度从最初的几千点每秒，发展到现在已经达到几万点每秒的变化，主要带来外业数据采集时间的缩短，直接提高了工作效率，减少了在危险环境下进行数据采集的时间，从而使外业工作更为安全、快捷。

（2）扫描仪结构从原来的分体式，发展到现在的高度一体化集成。主要包括；扫描仪电池内置，高分辨率数码相机内置，高分辨率数码彩色触摸屏控制面板内置，数据存储内置等，一体化集成使仪器携带、作业中的迁站更方便，操作也更为便捷。工作中不再需要携带更多的附件，仪器不需要过多的外部电缆进行连接。

（3）扫描视场角也从原来的几十度发展到几乎是全景的扫描。视场角的改变主要带来两方面的影响：一方面让扫描仪的架设更灵活，可以提高工作效率。如果视场角小，要达到理想的扫描结果，仪器架设的方位会受到实地地形、地物的诸多限制，而且有时需要多次扫描才能达到效果。另一方面，因为视场角的增大带来扫描仪架站数量的减少，进而减少数据的后续拼接，减少后处理工作量和避免不必要的误差累积，从而提高了扫描的整体精度。

（4）最高测量精度可以提高到2mm左右，扫描点间隔细小到1mm。测量精度的提高直接带来数据结果准确性的提高，使三维激光扫描仪在大型结构、建筑测量以及监测等项目中的使用成为可能。扫描点间隔的细小，可以使被扫描部位细微的结构通过扫描表示出来，也增加了仪器可用的范围。

仪器技术的进步和精度的提高,让使用者可以更方便地携带和使用，满足越来越多领域对高精度数据应用的要求。

扫描数据后处理软件的进步：

（1）可以处理更大的数据量。随着软件算法的改进以及计算机硬件性能的提高，目前优秀的三维扫描后处理软件可以存储和处理多达十几亿点的数据。数据处理能力的提升，可以让使用者同时处理更大区域的数据，进行更加精细的扫描。

（2）功能更丰富，涵盖更多行业的需要。软件已经能够成熟提供从工业设备管道建模、建筑物建模，到非规则复杂形体的建模；可以直观准确地进行地形、形变分析等的计算；可以提供二维特征线条的提取等功能。

三维激光扫描技术目前已经成功应用的领域①历史遗产（迹）、文物保护；②工业设计、检测，工厂扩建及数字化管理；③建筑、桥梁、基础设施测绘；④地形测绘和地质研究等。

在地形测绘和地质研究领域，三维激光扫描技术与传统测量手段相比较的优势是①测量简单，便捷；②测量结果精确；③采集信息全面；④数据后处理简单；⑤可直接基于三维结果信息进行计算和分析；⑥非接触，大场景测量，效率更高，减少测量工作对环境的依赖和局限。

2 三维激光扫描技术在地形测绘中的意义

三维激光扫描技术为地形测绘提供了一种全新的作业手段。最近几年国内多家大学、科研、施工单位结合滑坡调查、监测；地质灾害研究等项目，探讨此项技术在相关领域的实际应用，并积累了丰富的经验。下面介绍一些实际应用方向：

2.1 边坡安全监测

边坡破坏的预测、边坡破坏后的状况把握、二次灾害的防止、预防等，都需要及时准确地掌握边坡体的三维信息。三维激光扫描仪可以用于边坡体灾害发生前后的地形变化测绘、二次破坏防止的预测以及边坡破坏前兆的把握和危险性评估。

通过三维激光扫描获取地形数据后，利用软件快速构建DEM以及TLM网数据。徕卡的Cyclone数据后处理软件就提供了便捷的数字高程模型建立功能，并且可以实现坐标系统转换，将数据方便转换到WGS84坐标系统或者地方坐标系统。转换后的数据可以进行如下分析：

平面图的重合比较；

等高线的重合比较；

断面图的重合比较；

断面图的差分比较；

直接基于三维DEM进行变化部位及位移量数据分析。

三维激光扫描仪用于边坡三维形状获取、加固方案设计、边坡灾害对策及安全监测等，都具有其独特的方便性和先进性，测量设站灵活方便，测量效率高，获取的数据可以直接进行处理得到基础信息和分析结果。2.2地质露头研究三维激光扫描仪可以为地质露头层的相关研究提供准确的数据，通过扫描可以获取露头的三维模型，为地质灾害预防、地震研究、矿藏探测等提供基础资料。集成了内置高分辨率数码相机的三维激光扫描仪可以同时获取高清晰的影像数据，为后期的分析和研究提供更详实的信息，通过软件快速构建色点云模型以及彩色的Mesh模型，并且可以直接在三维空间实现点、线、面、体等信息的完整提取，数据可以通过DXF格式导出到其它后续绘图软件中。在地质露头研究中，三维激光扫描仪发挥了非接触、高精度、高分辨率测量的特点，减少了野外数据采集的时间周期，获取的信息更为完整全面。

2.3基础地形测绘

在地形测绘中，三维激光扫描仪及后期处理软件，经过非常简单的步骤就可以轻松获取大比例尺地形图。

（1）扫描。首先根据现场地形地物现状、环境以及三维激光扫描仪的有效测程，合理布设扫仪的站点，然后在每个站点根据后续成图的需要设置合适的分辨率进行扫描。在扫描过程中可以通过在已知点设站或控制扫描标靶的方式，将每个站点与地理坐标系统的关系进行约束。

（2）数据拼接转换到地理坐标系统。把多个站点扫描的数据通过软件拼接到统一的地理坐标系统中，Cyclone软件支持灵活的地理坐标系统转换功能，可以简便地将所有站点一次性放入地理坐标系统中，从而统一坐标系统。

（3）构成TIN网。通过软件的功能进行植被或建筑物剔除，然后生成TIN网，并对TIN网进行平滑或优化处理。

（4）构建等高线图。基于TIN网，给出等高线间距，等高线会自动生成。

2.4 地质裂缝研究

通过挖掘地质探槽，可以更准确地掌握地质裂缝的信息，从而帮助我们进行有关地震断裂带的研究。

地质探槽反映了地层状况、地质裂缝的三维形状。通过三维激光扫描技术可以记录和获取整个探槽的完整三维信息。

（1）通过三维激光扫描仪扫描和拍照获取高密度空间点云数据和高清晰度的照片，扫描仪内置高分辨率数码相机的照片可以直接映射到点云上，形成彩色点云数据。彩色点云数据可以直接进行量测，并可以通过虚拟测绘功能将特征数

据导出到其它软件作进一步分析和计算。

（2）基于点云数据，通过Geomagic软件制作高精度三角网模型映射纹理照片，可以得到彩色三角网模型用于浏览和分析。

3 应用实例

3.1区域沙漠监测

我国北方部分地区气候干旱多风，土地类型多样化，地表沙质物质丰富，特别容易形成沙漠迁移、沙尘暴等自然灾害。多年以来此类自然灾害给国家和地方造成了重大的经济损失。传统的沙漠监测方式耗费人力、物力，而且监测精度受条件影响非常大。三维激光扫描技术作为目前国际上最先进的测量方法之一，与土壤沙漠化治理工作进行有机的结合，能够极大地提高工作效率与数据的准确性。

沙漠监测的目标是通过准确的量测（见图1、图2）获取沙漠流动变形情况和反映这一情况的大比例尺地形图，通过前后测量三维数据的比对，得到沙漠变动量情况。

使用仪器：Leica ScanStation2

使用软件：Leica Cyclone6.0,Geomagic ll

本次工程分两次扫描，从两次扫描的成果中监测出沙漠的变化，例如沙丘的移动、单位范围内沙质的体积变化、结合天气变化得出气候对沙漠变化的影响等。

3.2地震断裂带地质裂缝研究

通过挖掘探槽对地震断裂带进行精细扫描（见图3、图4），获取地震断裂带的精确走向、尺寸等相关信息，进而对断裂层进行分析。

使用仪器：Leica ScanStation2

使用软件：Leica Cyclone5.8

本次地震断裂带地质裂缝研究，通过三维激光扫描仪在地质探槽内设置两个站位进行扫描，在每个站位使用扫描仪内置高分辨率数码相机进行拍照，两站位的数据结果通过标靶进行拼接，从而获取完整的地质探槽相关数据。

3.3 地质露头测绘

对于地质灾害多发区域，掌握这一区域的地形数据就显得尤为重要，有助于在事故发生前根据情况判断哪里发生地质灾害的可能性最大，可以事先预报容易发生地质灾害的性质，从而把灾害造成的损失降到最低。在事故发生后可以根据详细的数据资料制定并开展有序的抢险救灾工作。传统的数据采集模式得出的数据不够详细，例如1：500的地形图采样密度大约是10m左右一个点数据，而采用三维激光扫描技术可以设置采样密度，低密度可以达到20cm一个点数据，高密度可以达到1mm一个点数据，同时可以获得每个点位的彩色信息，以便对现场的情况作更准确的判断。

使用仪器：Leica HDS4400

使用软件：I-Site Studio3.3

这一研究主要扫描的对象是地质露头，针对多个典型的地质露头进行扫描，再根据各个扫描站的坐标拼接到大地坐标系统下，并通过后续数据处理获得地质露头的三维模型、提取岩石裂隙走向等信息，见图5。

3.4 某地区地震后滑坡调查和监测某地区地震发生后，为了快速恢复交通等基础设施的运作，避免次生灾害的发生，需要对山体滑坡进行排查和监测。这一项目工作量巨大，作业环境艰苦并且伴有余震的危险，传统的测绘方式效率低，在重点区域测绘精度差，个别地方仪器设备和人员可能无法到达。而通过三维激光扫描技术可以实现快速测绘、精细量测、信息完整、高效率获取滑坡三维信息等的目的。

使用仪器：Leica ScanStation 2

使用软件：Leica Cyclone 6.0

多站点扫描获取滑坡体数据，经过拼接得到完整点云数据。通过Cycione软件直接生成TIN网数据，见图6、图7、图8。

结束语

综上所述，三维激光扫描技术具有精度高、信息完整、应用范围广、工作效率高等特点，而且在一定程度上改变了传统的测量作业方法，使测绘技术实现了革命性的进步。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。