山东省城乡建设勘察设计研究院 250031
摘要：我国社会经济发展建设过程中，工业企业竞争也开始越加激烈，为了能够有效提高我国企业在建设工程项目内的效率，建筑企业已经开始逐渐将发展重点放在建设技术研究上。文章主要对三维激光扫描技术进行分析和探讨，主要目的希望能够有效提高三维激光技术带来的经济效益。
关键词：地面三维激光扫描技术；工程测绘；应用
引言
随着现代科技的不断发展，测绘技术也在不断的更新变化当中，在近些年来三维的激光扫描技术已经成为了一项新兴的技术，可以说是继GPS技术以来的测绘领域当中的又一次技术革命，利用该技术可以对空间数据进行有效的捕获，利用激光扫描测量的方式，也可以对其空间的信息数据进行了解，并且形成专业的影像数据，从而建立起地物地貌的三维模型图，为我国的测绘领域提供了一种全新的技术手段。
1三维激光扫描技术概述
1.1三维激光扫描技术概念
三维激光扫描技术作为一种新型技术，在不断推广过程中，在建筑领域内已经广泛应用。三维激光扫描技术测量结果精确度较高，同时检测工作时间能够有效缩短，在技术人员上得到了高度关注。
1.2三维激光扫描技术特点
三维激光扫描技术在实际应用过程中特点主要体现在以下几方面：首先，三维激光扫描技术在对物体测量上，测量时间能够有效缩短，同时对周围环境所造成的影响还能够有效降低；其次，三维激光扫描技术在进行扫描过程中，与人体动作不同，整个扫描工作基本上都是在一秒钟之内完成，虽然扫描十分快速，但是测量数据精确性并不会受到任何影响；最后，三维激光扫描技术在扫描过程中并不需要光照，即便是在黑天状态下，也能够对物体进行扫描，原有测量方法在实际应用过程中，需要受到人为因素的影响，同时测量限制条件较多。
1.3地面三维激光扫描分类及原理
地面三维激光扫描技术按照测量方式可划分为固定式激光扫描系统和移动式激光扫描系统。固定式激光扫系统，类似于传统测量中的全站仪，由激光扫描仪及控制系统、内置数码相机、后期处理软件等组成。与全站仪不同的是，固定式激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的“点云”数据，其特点是扫描范围广、速度快、精度高、具有很好的野外操作性。移动式激光扫描系统，是基于车载平台，由全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）结合固定式三维激光扫描系统组合而成的。
三维激光扫描技术的核心原理（图1）就是激光测距，三维激光扫描的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理的过程。从获取扫描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样点是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪扫描方向，Z轴为垂向方向。由此，可得扫描目标点Ｐ的坐标（Xs、Ys、Zs）的计算公式：
图1 三维激光扫描基本原理
地面三维激光扫描技术在工程测量领域应用较多的为固定式，移动式尚在实验发展阶段。
1.4三维激光扫描技术应用领域
三维激光扫描技术可以说是测量领域上的最为先进科学技术，有效改变了传统测量方法在测量上所存在的问题，测量速度得到了显著提升。三维激光扫描技术有效与信息技术相结合，有效解决传统测量方法将影像信息与方位信息分离分析，对测量手段进行完善，现阶段三维激光扫描技术已经能够在物体测量上应用。正是由于三维激光扫描技术在实际应用过程中取得了良好成果，限制条件较少，进而在质量检测上也开始广泛应用。在对不规则形状物体检测上，三维测量所具有的优势更加显著，能够有效对几何物体形状进行复原，检测工作得到了有效简便，同时也不需要对测量物体规则进行统计，降低测量过程中出现误差可能性，提高测量结果精确性，保证工程顺利开展。建筑工程在进行三维可视化设计过程中，能够有效在激光作用之下，对物体本质进行了解，同时这也是三维激光扫描技术在地质测绘上应用的主要原因。
1.5三维激光扫描技术应用优势
三维激光扫描技术在实际应用过程中，测量较为简单，同时并不需要较多限制条件的影响，测量结果精确性得到了显著提升，为项目工程顺利完成奠定了坚实基础条件，同时也能够显著提升工程质量及速度。正是由于三维激光扫描技术在实际应用上所具有的优势，三维激光扫描技术开始逐渐在地质测绘和工程测量领域内应用，为地质测绘和工程测量提供了一定便捷，同时对有关理论研究也取得了帮助。
2地面三维激光扫描技术在工程测量当中的应用
地面三维激光扫描技术在工程测量的领域当中可以分为几个方面来进行分析，其中包括地形图的测绘、土方量的计算、竣工测量以及三维建模这四个方面，在本文当中主要以固定式的三维激光扫描技术为主要的研究对象，对其在工程测量当中的应用进行了分析，在整体的测量技术当中，首先需要在扫描之前进行贮备，其次就需要对点云数据进行有效的获取，之后就可以对点云数据进行配准，之后就会对点云数据进行处理分析了。
在地形图的测绘应用当中，主要对采取常规的测量手段难以测量的地区进行测量，比如悬崖和断壁等，采取激光扫描的技术利用无接触的方式，对地物地貌进行有效的测量。在地形图的测绘过程当中，在对点云数据处理的过程当中，需要对其地物和地貌等相关的外界因素环境特点进行提取，从而对其数据进行分析，最后形成完整的地形图。
在地物的提取和绘制构成当中，主要对其特征进行有效的提取，利用地面的三维激光扫描技术在软件的处理之下就可以将点云数据当中的房屋角点进行提取，在一定格式的基础之上，按照比例来进行绘制。
在等高线的生成过程当中，在经过了对地物地貌的点云数据的剔除之后，就可以利用自动和人工相结合的方式进行绘制，采取平均面迭代法的方式，对地物地貌当中的不符合特征的数据进行排除，之后就可以利用所有的数据进行平均面的有效计算，经过了多次的数据筛选和剔除之后，得出更加准确的地貌数据。
在对成图进行编辑的过程当中，需要对剔除数据之后的等高线和地形图之间的关系进行分析，将数据进行叠加，从而对照照片和点云数据，来进行人工的编辑和调整工作。利用地面三维激光扫描技术进行地形图的测绘过程当中可以有效的降低外业数据采集的工作难度和强度，获取到地貌的详细特征。
在对土方量的计算过程当中，主要是利用各种一起来对地表当中高低不平的特点进行有效的测量，并且形成三维坐标，比如GPS、PTK以及全站仪和水准仪等相关的仪器设备，主要的方式方法为首先需要在图点云数据处理的基础之上对基准面进行构建，之后就可以对地物进行剔除了，最后经过计算之后生成土方量。在构建基准面的过程当中，一般都会将坐标转换到工程的实际坐标当中，对其控制点的精度进行严格的把控，在对挖填土方进行计算的过程当中，还需要以设计高程、边界为基本数据来对基准面进行计算，对扫描点云进行有效的切换。
在对道路竣工测量的应用当中，主要是获取到道路当中的样图和纵横断，如果采用传统方法进行测量的话，就需要利用水准仪等相关的仪器设备来对其进行逐点的数据自动化处理。但是利用地面三维激光扫描技术来对道路进行测绘，可以有效的降低外业的工作强度，提升其工作效率。其中，主要的工作流程为，在进行坐标系的转换，之后从点云当中根据一定间隔来进行三维坐标的提取，进行等高线的生成，并且对道路的样图以及纵横断也要进行绘制，地面的三维激光扫描技术主要应用于道路竣工的测量，和传统的作业方式来进行比较的话，可以提升测量数据的精确程度。
在三维建模应用过程当中，主要以构建其三维模型的能力，来对其文物进行保护，利用其无接触的方式对文物的表面和其他相关的数据进行测量，从而建立出三维的模型，对文物表面的特征进行精确的还原。在整个过程当中可以分为建模和纹理映射两个部分。建模是在点云数据处理的基础上进行的，可以按照点云来进行构建，也可以根据点云数据来利用3Dsmax的方式来进行模型的构建，从而做出满足精度要求的规则模型。纹理映射主要是利用架设在扫描仪上的数码相机对其纹理信息进行有效的获取，来构建出建筑物的表面模型。
3应用实例
某高速公路因为使用时间过久，路面出现大范围开裂、破损现象，需要进行大的修整，为了使道路工程测绘能够具体反映出道路破损现状，要求测绘部门每隔10米提供一组横纵线断面图。该高速公路属于正常通车状态，对其进行测绘不能影响正常的交通流量。传统的测绘方法需要在高速公路上进行测绘，对测绘人员的安全造成极大威胁，因为该段高速公路破损范围非常大，传统测绘方法会增加测绘人员的工作量，所以利用地面三维激光扫面技术对道路工程进行测绘。在高速公路护栏外侧设置测绘点，对破损区域的高速公路进行激光扫描，并利用三维软件对扫描数据进行拼接。点位拼接精度的误差控制在8mm以内，整体点云的拼接误差控制在10mm之内，数据处理完成后，生成三维模型，将高速公路中的隔离带、侧边紧急车道以及顶部天桥等地物全部绘制到三维模型中。对三维模型进行平面测量，最终可以绘制出道路工程的平面地形图，利用传统方法测量该高速公路高程，将测得数据与三维激光扫描数据进行对比，发现测量误差小于0.lmm，证明该数据可用。将数据导入计算机中，利用软件绘制出具体的横纵断面图，以便为后期道路工程的大修提供数据基础。
结语
综上所述，三维激光扫描技术已经成为了现阶段获取三维空间数据的先进技术之一，在该技术的应用之下，可以实现无接触、高密度以及高精度的有效补充，提升了在外业测量当中的工作效率，被广泛的应用在了工程测量当中。但是现阶段的应用情况还存在着很大的不足之处，仍然需要进行不断的改进，形成系统的检测方式，完善其三维激光扫描仪的应用范围和标准，推动我国工程测量技术的有效发展。
参考文献
[1]王峰，林鸿，李长辉.地面三维激光扫描技术在城市测绘中的应用[J].测绘通报，2012，(05)：47-49.
[2]马利，谢孔振，白文斌，白建军.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].北京测绘，2011，(02)：48-51.
论文作者:房华光
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/11
标签：激光论文; 测量论文; 技术论文; 数据论文; 地物论文; 工程论文; 地面论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;