上海市地质勘查技术研究院 上海 200070
摘要：三维激光扫描仪与全球定位系统（GPS）的结合是数字测图的又一次创新和进步，其具有简捷、高效、高清晰的数据获取能力，与传统测绘相比具有劳动强度低、时间短、测图的灵活性强，智能化、兼容性强等优势。本文介绍了三维激光扫描仪应用的现状，并与传统数据采集方式进行了比较，并结合实例将三维激光扫描技术应用于大比例尺地形测量中，结果表明了三维激光扫描技术方案能够很好的取代传统测量方式，保证测绘数据质量，能够提高作业效率。
关键词：三维激光扫描仪原理；反射标靶；点云；地形测量
【引言】三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术，它的出现为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描技术主要采用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。目前此项技术已广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、城市规划、智能交通、防震减灾等领域。
一、三维激光扫描技术的特点
作为一种新的测量手段，三维激光扫描测绘技术与传统的测量方法相比有如下优点：①扫描速度快，地面三维激光扫描仪可在短时间内获取空间目标的三维信息；②非接触式工作，扫描仪发射激光束在测量目标自动反射，实现了危险目标、不可达目标的测量；③数据信息丰富，可以在进行空间三维坐标测量的同时，获取目标表面的激光强度信号和真彩色信息，为目标的识别和分类提供了更多途径；④主动性工作，自动发射测量信号，不需要外部光源配合，可在白天黑夜全天侯作业，提高了作业效率；⑤高精度，地面激光扫描能以高精度的方式获取目标的表面特征；⑥高密度，激光扫描同时能以高密度的方式获取目标表面细部特征；⑦可量测，可以直接在点云上获取三维坐标、距离、方位角、表面法向量，还可以计算得到点云所表达目标的表面积、体积等。
二、三维激光扫描仪工作原理
三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。按照扫描平台的不同三维激光扫描仪可以分为：地面型激光扫描系统、机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统。本文工程中使用的为地面型三维激光扫描仪，其工作原理为：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。
三、工程应用实例
该工程为千岛湖引水工程，引水管布设长约100公里，沿途多处布设埋管、钢衬段及支洞口，测区多为山区丘陵地貌，植被较为茂密，通视情况较差，采用传统全站仪地形测量方案，废时、废力且效率低下，影响工作效率。现以一处支洞为例，采用地面型三维激光扫描仪进行测量并与传统测量方式进行比较。
本测区采用仪器为徕卡Scanstation C10 新一代一体化扫描仪，具有以下功能：
（1）轻松实现全视场扫描。视场角高达360°X 270°，可轻松获取顶部，水平方向及垂直方向的数据，旋转镜头（智能X-MirrorTM设计），可覆盖几乎整个垂直方向的视场角。
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（2）使用了和徕卡全站仪一样的高精度双轴（倾斜）补偿器，能完成导线测量、后方交会测量和放样。
（3）实用有效的测距范围，扫描距离大于300米。
（4）具有全站仪的测量精度，能使点位、距离和角度测量精度达到专业级测量精度。
（5）超高速激光扫描，扫描速度高达50000点/秒。
（6）Cyclone常规地形测量功能，基于扫描点云数据，利用徕卡 CYCLONE II TOPO地形测量软件模块可以轻松完成二维地形图的测绘和输出，节省了外业数据采集的大量时间，提高了地形测绘工程的作业效率。
1、控制网布设
测区首级控制网由4点E级GPS点构成，采用南方9600北极星GPS接收机进行静态观测，并布设四等水准测量，使整个测区建立在一个基准控制框架内，便于徕卡Scanstation C10扫描仪的起闭。测区内利用GPS RTK进行控制点加密，其作用为三维激光扫描仪过程中布设定向、检查标靶点和特征控制点。
2、野外作业过程
1）野外设站
将三维激光扫描仪架设在加密点T1，反射标靶架设在T2进行定向（可自由架站，无需人员干涉）。由于三维激光扫描仪的测程是有限的，不同测站的测量数据如何拼接到一起，就需要标靶来完成，因此根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。
2）测区扫描
根据测区划分区域，设置采样间隔和扫描分辨率。采样间隔和扫描分辨率设置过大或过小均会对后期的数据处理精度及采集到的点云数据量，数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。因根据地形测量精度的要求合理设置，以达到最佳的效果。同时每站重叠区域不小于5米，360°水平范围和270°垂直范围内自动扫描，进行点云之间的拼接，实现对准与地理配准。
3）内业处理
经外业扫描到的三维点云数据量非常大，其中包含河流、山体、房屋和沟渠之类等有用的数据，也包含车辆、行人、树叶等等无用的数据，利用Cyclone、leica地形后处理软件提取点云质量好，精度高，数据全面的部分点云数据进行内业数据处理，并采用数据滤波和数据抽隙的方法对点云数据进行处理，完成后将点云数据转成txt格式导入Maptek I-Site Studio进行最后地表DEM的建立和等高线及高程点的提取。如果现场地物较为分散且种类繁多，还可以利益徕卡cloudworx将点云导入CAD或者CASS中对地形图进行进一步的描绘从而得到我们所需的地形图。（如图1）
4）优势比较
整个支洞需要测量作业的范围近0.2平方公里，落差近100米。传统全站仪作业方法外业用时需5天，采用三维激光扫描仪作业用时2天大量节省了外业工作时间，大大减轻了外业人员工作强度，另外高分辨率数码相机真实反映了地物特征，提高了内业处理的速度，提升了内业成果精度，增加了成果展示的形式。
四、结束语
三维激光扫描技术作为迅速发展的测量技术，它具有传统测量手段无可比拟的优势，主要体现在速度快、精度高、使用方便、自动化程度高、劳动强度低、受外界环境影响小等方面，因此它的普及应用将大大降低生产成本和提高工作效率。伴随三维激光扫描技术的不断完善与发展，充分发掘三维激光扫描技术的在测量领域的利用价值，将会给测量学科带来新的发展机遇，也将给广大测量工作者创造更好的工作条件。
参考文献：
[1]徐晓熊.刘松林.李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘，2009.（2）.
[2]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备，2008.10（2）.
[3]徕卡测量系统股份有限公司 Leica Scanstation C10使用手册，2011.
论文作者:王金龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/5
标签：激光论文; 测量论文; 扫描仪论文; 数据论文; 作业论文; 地形论文; 技术论文; 《基层建设》2016年8期论文;