歐斌，黃承亮

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，將現(xiàn)實世界的實體信息快速地轉(zhuǎn)換為計算機可以識別處理的數(shù)據(jù)已經(jīng)不再是人類的夢想?？萍嫉膭?chuàng)新、不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)給人們的生產(chǎn)、生活帶來了巨大的變化，同時也為空間數(shù)據(jù)獲取提供了各種各樣的新方法和新手段，推動三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)就是這個信息時代的產(chǎn)物。利用該技術(shù)可以直接實現(xiàn)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進而快速重構(gòu)出實體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要是由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標(biāo)就是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以便對模型進行進一步的分析和數(shù)據(jù)處理。

三維激光掃描技術(shù)作為一種先進的測量技術(shù)，可以應(yīng)用于工程測量、地形測量、虛擬現(xiàn)實和模擬可視化、礦區(qū)土方開挖斷面和體積測量、工業(yè)制造、變形測量、加工檢測、施工監(jiān)測、事故調(diào)查、歷史古跡的調(diào)查與恢復(fù)以及特殊動畫效果的測量等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

分方測量是工程測量的主要組成部分之一，分方測量得到的測量結(jié)果對施工預(yù)算和造價都有直接的影響。傳統(tǒng)的分方測量方法是采用全站儀進行逐點采集，這種方法耗費時間多，人力多，并且采集數(shù)據(jù)間隔大，不均勻，有時無法真實反映其實際方量情況。因此，本文引進三維激光掃描技術(shù)對分方測量進行應(yīng)用研究。

2 分方測量應(yīng)用研究方案

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法在分方測量中的優(yōu)勢有:

(1)測量速度快、效率高，最高達(dá) 300 000點/秒;

(2)測量密度高、測量精度高，最小的可以采用2 mm采樣間隔掃描，最高可達(dá)到 5 mm的點位精度。

(3)采用完全非接觸的方式對目標(biāo)進行掃描測量，可以解決危險領(lǐng)域的測量，需要保護對象的測量以及人員不可到達(dá)位置的測量等工作。

(4)測量范圍廣，可以進行掃描視場角為360°×100°的掃描，最遠(yuǎn)可以達(dá)到 1 400 m的掃描距離。

本次應(yīng)用研究與生產(chǎn)相結(jié)合，選擇了一個需要進行分方測量的工程進行，在該工程范圍內(nèi)基本為空曠區(qū)，少部分地方有植被覆蓋，作業(yè)時，首先應(yīng)用GPSRTK技術(shù)在工程區(qū)域內(nèi)，布設(shè)并測量了若干個控制點。選擇RIEGL VZ－1000激光掃描儀對該區(qū)域進行掃描。掃描時，把儀器依次架設(shè)在每個控制點上，進行全圓360°的掃描，掃描間隔設(shè)置為 100 m處 0.03 m的間距，并保證每站掃描數(shù)據(jù)之間有30%的重疊區(qū)域。最終一共進行了7站掃描，共花費時間為 4 h，掃描范圍為 0.8 km2。

同時在工程范圍內(nèi)選取部分區(qū)域采用全站儀進行了數(shù)據(jù)采集，其目的是與激光掃描采集的數(shù)據(jù)進行對比。測量時把全站儀架設(shè)在相同的控制點上，進行對中整平，后視定向，采用 8 m～10 m點間隔進行高程采樣，整個外業(yè)數(shù)據(jù)采集花費了3個標(biāo)準(zhǔn)組日，共采集0.2 km2數(shù)據(jù)進行對比。

3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用RIEGL自帶的處理軟件RISCAN PRO對掃描數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。首先對7站數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)拼接，拼接時依次在每站掃描數(shù)據(jù)中輸入設(shè)站點點位坐標(biāo)，由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集時保證了每站掃描數(shù)據(jù)之間有30%的重疊區(qū)域，通過對處理軟件的參數(shù)及處理方法設(shè)置，軟件進行自動拼接，拼接之后得到的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 拼接后整體點云數(shù)據(jù)

圖2 剔除植被前點云數(shù)據(jù)

圖3 剔除植被后點云數(shù)據(jù)

由于工程范圍內(nèi)，有部分地表被植被覆蓋，因此為了得到真實的地表數(shù)據(jù)，需要對植被進行剔除，如圖2所示。運用RISCAN PRO的植被剔除功能，采用一定間隔范圍內(nèi)保留最低高程點的方法，對掃描數(shù)據(jù)進行處理，得到剔除植被后的點云數(shù)據(jù)，如圖3所示。通過剔除植被前后數(shù)據(jù)的比較，可以清晰發(fā)現(xiàn)地表的樹木等植被被剔除干凈，得到了符合真實情況的地表數(shù)據(jù)，同時說明RISCAN PRO軟件剔除植被的效果比較明顯。

由于掃描的點云數(shù)據(jù)間隔小，數(shù)據(jù)量大，需要對數(shù)據(jù)進行抽稀，得到適合方量計算的有效數(shù)據(jù)。因此對處理后的點云數(shù)據(jù)進行抽稀，得到以 0.3 m間隔的點云數(shù)據(jù)，作為方量計算的原始數(shù)據(jù)。然后把數(shù)據(jù)導(dǎo)入清華山維圖形處理軟件，如圖4，以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三角網(wǎng)圖，然后再提取 10 m×10 m格網(wǎng)，最后運用其方量計算功能，根據(jù)設(shè)計高程進行方量計算。

圖4 點云數(shù)據(jù)

同時把全站儀測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入清華山維圖形處理軟件與掃描儀數(shù)據(jù)進行對比，為區(qū)分點位，圖中采用燈桿符號表示全站儀采集數(shù)據(jù)，標(biāo)注其高程，選取其周邊最近點云數(shù)據(jù)點標(biāo)注高程進行對比，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)兩者測量數(shù)據(jù)的高程誤差基本在 2 cm～3 cm之間，兩者的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量相同，都能滿足分方測量的要求，說明三維激光掃描技術(shù)在分方測量方面的應(yīng)用是可行的，同時三維激光掃描測量方法的測量速度，數(shù)據(jù)處理效率都遠(yuǎn)高于常規(guī)測量方法，因此三維激光掃描技術(shù)在分方測量方面有更大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

圖5 點云數(shù)據(jù)與全站儀采集數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)語

本次針對三維激光掃描系統(tǒng)在分方測量中的應(yīng)用進行了綜合測試，提出了該技術(shù)在分方測量中的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理方法，并與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測量方法進行了比較，說明三維激光掃描技術(shù)在分方測量中應(yīng)用的可行性。

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