关键词：测绘；三维激光扫描；工程原理
目前，大多数测绘设计等工程单位所使用的地形图都为二维的，需要以等高线来描述地形，以特定符号和线条表示各种各样的地物。多年以来，人们一直绘制和使用这样的平面地形图，并且需要相应的专业知识才能制图和读图。这种地形图制图过程较长，外业工作量很大，图示不直观，易出现遗漏或图物对应不一致等问题，而且设计人员不能在二维地形图上直接获取足够精度和数量的地形点数据来做出准确设计，也就是部分专家认为不能由稀疏地形点构建的地面模型切取地面的纵横断面数据用在设计中。而高精度地形点的数量取决于外业时的工作量，外业测量的点越多，可用地形点也越多。但数量极大的测量点势必耗时费力，采用单点测量技术亦即传统的单点激光测距很难在短时间内完成海量地形地物点的采集。
传统的测距测角工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当的成熟，全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。对于目标点密集的区域如道路的带状地形测量、变形监测抑或道路竣工验收测量等等，全站仪或GPS需要逐点跑点，工作效率就难以大幅度提高；遇不通视或卫星信号被遮挡等情况，数据采集工作可能中止或拖延，在跑点人员不能到达的地方如悬崖峭壁上和高压线也就不能被测量到。为解决这些实际测量工作中的难题，高精度长测程便携式三维激光扫描仪应运而生，如澳大利亚Maptek I-site 8820、加拿大Optech ILRIS-3D/HD/LR、美国Trimble TX8等。
三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速构建出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种应用数据，广泛用于测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。
简单地说，由点云组合成各种物体，立体直观呈现地形地物，表达的地形信息更加全面细致，且无需从平面图中抽象思维得到地形的三维印象，无需专业知识储备也可识别出地貌。这些都促使空间信息表达由二维向三维转变，设计不用再以二维平面图为背景，设计成果也不再仅局限于二维图形，且借助便携硬件设备如掌上电脑等可以实时查看设计结果以指导现场施工,可以实现设计施工全程无纸化操作。可以预见，随着三维激光扫描技术的推广和高性能计算机的普及，如同单点激光测距和GPS对工程变革的推动一样，源于其快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，由稀疏点向点云、二维向三维的转变很有可能引领工程界的又一次变革。目前，工程实践中应用三维激光扫描仪的实例不多，与仪器及后处理软件等设备或产品价格高昂不无关系，也与大家对这一新技术缺乏深入了解有关。随着仪器软件等相关软硬件逐步国产化，依靠全进口时的前期采购高昂成本将有所下调，普通规划及设计方甚至施工方未来也能够接受相应的费用支出。学术界所能做的主要还是介绍与推广这一新技术。
那么三维激光扫描技术究竟是如何实现的？可靠程度怎样？具体地说，点云采集是如何实现的？各站的点云是怎样拟合拼接构建成目标体的？点云数据可靠性有多高？下面一一探讨。
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首先回顾下单点激光测距，仪器向目标投射激光束并开始计时，激光到达目标后返回，仪器接收到返回的激光信号自动计时和统计投射次数，并再次将激光投射到目标，如此多次重复（仪器发射脉冲激光来实现多次投射），可计算出仪器与目标间激光单次穿行的平均时长△t，则仪器与目标的距离L=C△t（C为光速）。而L仅为三维空间里矢量的长度，还需将该矢量投影到柱坐标系或极坐标系中计算出目标点的相对三维坐标，再将置仪点的三维坐标与此相对坐标进行同坐标系的代数计算即可得到目标点的三维坐标。
此单点激光测距原理正是点云采集的理论基础。不同于全站仪测距时有棱镜反射激光回仪器，三维扫描仪捕捉经目标漫反射最早回到扫描仪的激光信号。脉冲式激光扫描仪依靠机器本身的水平和垂直旋转将瞬时单束激光分时投射到周围环境，实现水平360°和垂直0°～80°快速全覆盖，亦即快速获取仪器周围环境的点云数据。
长测程的脉冲式激光扫描仪由基座和工作部构成，基座兼具三脚架和车载两种平台接口，工作部由伺服电机驱动可以水平旋转。工作部全密封，以应对各种复杂环境，三面以高强度合金钢外壁包裹，一面向后倾斜，中间自上而下有高透光率玻璃钢，透过这块玻璃窗可以看到仪器内的激光头等精密部件。工作部内置惯性导航系统（INS）、单频全球定位系统（GPS）、电荷耦合系统(CCD)、高分辨率全景数码相机、光学后视系统、电源、蓝牙和可垂直高速旋转的激光扫描系统等。在工作部顶部有GPS接收机接口，可以安置双频接收机作为流动站实时提供置仪点三维坐标。在三脚架上或车顶由人工粗平，接收到经由蓝牙连接的操作手簿发来的扫描指令后再自动精平，仪器精平后工作部开始绕仪器竖轴水平旋转，全景相机随工作部旋转即时捕捉仪器周围360°的数字图像。同时内置的激光头绕横轴垂直高速旋转，在极短时间内（通常为毫秒级）完成一次垂直面激光束投射。激光感应器实时接收反射回来的激光信号并及时计算该束激光往返时间，单次目标点数据采集即告完成。由于激光脉冲频率较高，单次扫描只需12.5微秒（80000分之一秒--- Maptek I-site8820参数）的时间，单个垂直面多束激光耗时累计可达到数十毫秒。之后再随着工作部旋转扫描紧领的下一个垂直面，直到水平全周扫描完成。仪器实时将扫描到的点云数据和数字图像通过蓝牙同步到平板手簿，并在手簿上展开图像和点云，单站扫描结束时可查看本站所有点云及本站周围环境的高清数字图像。
如上所述，扫描仪始终接收第一束经物体漫反射回到仪器的激光信号，由光线传播直线距离所用时间最少原理，首个回波信号是仪器与目标间距离量测的最真实反映，从而直接剔除了稍后才能抵达仪器的其它漫反射信号。这些信号是经折射、衍射、尘埃、烟雾、微小液滴等影响后的伪信号，不能直接反映真实距离。另外，后处理软件还有其它去伪降噪的技术手段。
多数测量任务都需要多次设站，或车载流动设站，甚至车载机载连续扫描，对大面积地形图的内业数据处理时都需要拼接站间点云及图像。按照共面、共边或共点等方法拼接起来的点云，不同测站或不同时刻对同一点扫描所得的三维坐标必然不同，其间距互差最大值不超过10-14mm（由扫描仪测量精度决定）时，站间点云数据可以批量按最小二乘法等原理平差，最后所有站间点云能重合为佳。对局部奇异值应剔除，剔除率不应过大。
如各站均将扫描仪架设在高精度控制点上，可后视定向或由GPS移动站采用快速静态等测得方位角，如此各站点云无需拼接，扫描即所得。对于道路条状地形图，道路较长时误差累积会较大，须使用后处理软件仔细拼接。
通过多种技术措施，结合后处理软件的强大功能，最大限度地提高扫描结果的准确性和可靠性。经过后处理的点云及高清图像数据将被转换为各类有特定用途的信息，如三维模型、料堆体积、等高线、剖面线、边坡位移量分析及其它可用作信息提取的基础数据。这些包含大量信息的数据可直接用于设计、规划、监测等，也可以立即获得目标体的各种几何参数。目前很多软件已经提供了扫描数据读入功能，可直接读入处理后的数据文件，继而在密集点云表示的三维世界里直观快捷地构建道路桥梁隧道房屋等等建筑物，完善了设计软件的DTM功能。
参考文献：
[1]马立光.地面三维激光扫描仪的分类与应用.地理空间信息.2005
[2]徐进军.余明辉.郑炎兵.地面三维激光扫描仪应用综述.工程勘察.2008
论文作者:程绍春
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
标签：激光论文; 仪器论文; 测量论文; 扫描仪论文; 目标论文; 地形论文; 数据论文; 《科技中国》2018年4期论文;