陕西工程勘察研究院有限公司 西安 710068
摘要：三维激光扫描技术概念及原理、并以拓普康GLS-2000型扫描仪为例，探讨了三维激光扫描技术在变形观测中的应用，结合工程项目，研究现场扫描作业、点云拼接、数据处理等作业流程。
关键词：三维激光扫描；拓普康GLS-2000；ScanMaster软件
1 引言
三维激光扫描技术又称为高清晰测量，它是利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。同时，获取信息量也从点的空间位置信息扩展到了目标的纹理信息和色彩信息，三维激光扫描技术已经成为空间数据获取的重要技术手段。
2 三维激光扫描仪工作原理与全站仪测量技术的区别
2.1工作原理：
三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。激光测距技术是三维激光扫描仪的主要技术之一，激光测距的原理主要有基于脉冲测距法、相位测距法、激光三角法、脉冲-相位式测距法四种类型。目前，所使用的三维激光扫描仪主要是基于脉冲测距法。
2.2与传统全站仪测量技术的区别：
（1）、对观测环境的要求不同。三维激光扫描仪可以在全天候地进行测量，而全站仪必须在白天或者有良好的光照条件。
（2）、目标获取方式不同。三维激光扫描仪不需要照准目标，是采用连续测量的方式进行区域范围内的面数据获取。
（3）、测量精度不同。三维激光扫描仪和全站仪的单点的定位精度都是毫米级，整体来讲三维激光扫描仪的定位精度比全站仪略低。
3 基坑变形观测项目背景
该项目基坑位于市区主要繁华道路、周边与地铁线路、天然气管线、居民区等相邻。基坑支护结构为排桩支护，平均坑深20米，根据项目要求和现场条件，结合三维扫描仪技术的特点，制定了扫描方案。
3.1、扫描方案：
1）、明确项目任务要求。
2）、现场踏勘。踏勘过程中注意查看已有控制点的位置、保存情况以及使用可能性。
3）、制定技术设计方案。方案内容包括：项目概况、技术设计依据、测量控制点布设、扫描仪参数设置、扫描仪扫描、扫描数据拼接、数据处理、检查验收与成果资料提交、技术总结。
（1）、测量控制点布设：由于本项目场地观测条件有限、可利用控制点不多。
我项目组在场地做了三个控制点、采用GPS静态控制测量与附近相应等级的控制网进行联测、高程采用二等水准测量进行联测。
（2）、扫描仪扫描和标靶的安置：根据测量现场的大小、复杂程度和工程精度的要求，确定扫描路线，布设扫描站点，确定扫描站数及扫描系统至扫描目标的距离，确定扫描分辨率。
3.2、获取点云数据：
在项目实施过程中，获取点云数据是重要的组成部分，获取完整符合精度要求的点云数据是后续建模与应用的基础。在一个测站上扫描的基本步骤如下：
（1）、仪器安置：主要工作包括电源连接、对中、整平。
（2）、仪器参数设置：主要包括工程文件名、文件存储位置、扫描范围、分辨率等，其中精度相关参数设置要与项目技术设计相符。
（3）、开始扫描：当仪器扫描结束后，可以执行扫描操作。当仪器扫描结束后可以检查扫描数据质量，不合格需要重新进行扫描。
4 点云数据处理
软件也是三维激光扫描系统的重要组成部分。点云以公司内部格式存储，用户需要用原厂家的专门软件来读取和处理。内业数据处理主要包括点云生成、规则格网化、数据滤波、压缩、数据分类，特征提取、数据拼接，坐标纠正，质量分析和控制等环节。扫描数据处理是一个复杂的过程，通常包括坐标纠正、地理参考、数据缩减、数据滤波、三维建模等方面。
4.1、坐标纠正：
点云数据处理时，坐标纠正是最主要的数据处理之一，由于目标的复杂性，通常需要从不同的方位扫描多个测站，才能把目标扫描完整，每一测站扫描数据都有自己的坐标系统，三维模型的重构要求把不同测站的扫描数据纠正到统一的坐标系统下。
4.2、地理参考：
点云数据被纠正到统一的仪器坐标系下，为了获得点云数据精确的地理位置，需要增加地理参考，把仪器坐标系下的点云数据纠正到大地坐标系或地理坐标系下。
4.3、数据缩减与数据滤波：
数据缩减是对密集的点云数据进行缩减，从而实现点云数据量的减小，通过数据缩减，可以极大地提高点云数据的处理效率。点云数据优化一般分为两种，去除冗余和抽稀简化。
4.4、数据分割与数据分类：
在扫描点云数据中进行分割可以更好地进行关键地物的提取、分析和识别，分割的准确性直接影响后续任务的有效性，目前，三维激光扫描系统软件数据分割主要是通过手工完成，根据需要把点云数据分割成不同子集，以进行曲面拟合等操作。
5 三维模型的构建
5.1、点处理阶段：
1）点处理阶段的主要过程是对点云数据进行着色、降噪和采样等一系列处理，使其能够更加整齐和有序，并最终封装为多边形三角格网。
（1）、点云着色：导入预处理好的点云数据后，为了更加清晰、方便地观察和处理点云数据，首先要对点云数据进行着色处理，使其表现出不同的反射率。
（2）、去除非连接项及体外孤点：此操作的目的是在于选中并去除偏离主点云一定数量的点束，体外孤点是距离主点云距离相对较远的点云数据，它们会严重影响后期封装出多边形网格的质量，所以必须删除。
（3）、减少噪声：目的是移动偏差较大的点云数据，使其变得平滑，使点云数据统一排布，直接决定封装后形成曲面的精度。
5.2多边形处理阶段
进入多边形处理阶段就是对封装好的数据进一步处理，得到一个理想多边形模型，为精细曲面阶段的处理打下基础。
（1）、模型分割：由于封装后三角形网格数据量非常大，直接对整体处理需要相当长的计算时间，因此需要对模型进行分割，逐块进行处理。
（2）、创建流型：是为了删除模型中的非流型三角形，是保证模型后续处理的前提。创建流型分为开流型和闭流型，开流型适用于片状不封闭的模型，相反闭流型适用于封闭的模型。
（3）、破洞填补：在多边形处理阶段中，破洞填补是工作量最大的一个环节，也是影响建模质量的关键环节。可以针对所有的洞进行全部填充，也可以填充单个洞。
5.3形状阶段
形状阶段是从通过基本的探测编辑轮廓线、曲率，创建曲面片，并对曲面片进行编辑来创建一个理想的曲面，完成模型的逆向构造。主要工作如下：
（1）、曲面片的构造和编辑：创建出的曲面片中存在一些如相交路径、高度交点等问题，需要进行曲面片编辑。
（2）、自动曲面化：设置完成后，即可得到理想的曲面模型。
（3）、纹理映射及贴图：模型建立好后，为了使其更加生动，通常要采取纹理映射和贴图的处理。最终完成后的效果如附图：
6 结束语
三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，它的产生带来了测绘领域里的一场技术革命，作为新兴的技术手段，目前已经应用于文物保护、地质灾害、智慧城市等多个领域。但是在目前的使用中还是存在一些问题：
（1）、仪器价格昂贵，无法满足普通用户的要求。
（2）、市场上还没有相应的技术规范和技术标准。
（3）、点云数据后期处理繁琐，软件兼容性不高。
（4）、仪器性能单一，无法于其它测量设备联合测量。
（5）、缺乏仪器系统的精度检测手段和公认的检定机构。
参考文献：
【1】李智临.三维激光扫描技术应用于滑坡边坡空间分析[D].西安：长安大学，2012
【2】张亚.三维激光扫描技术在三维景观重建中的应用研究[D].西安：长安大学，2011
论文作者:马生君
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/15
标签：数据论文; 激光论文; 扫描仪论文; 曲面论文; 技术论文; 测量论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第7期论文;