王鵬飛石磊

（1.廣州市中海達(dá)測繪儀器有限公司烏魯木齊分公司 2.新疆工程學(xué)院）

三維激光掃描技術(shù)（laserscanningtechnology3D）是一種全自動(dòng)高精度三維掃描技術(shù)。別稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它的優(yōu)點(diǎn)是：地形空間數(shù)據(jù)復(fù)制測量、非接觸、速度快、體積大、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高；突破傳統(tǒng)測量儀器的限制，得到的數(shù)據(jù)，直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)的目標(biāo)，三維可視化重建。這不僅可以降低測量成本，而且還可以縮短采集時(shí)間，方便操作和使用。廣泛應(yīng)用于水庫邊坡穩(wěn)定性研究、地質(zhì)勘探的高陡邊坡，采集數(shù)據(jù)、水利地形運(yùn)輸、線路選擇、虛擬技術(shù)的逆向建模、交通、醫(yī)療、古代工程修復(fù)和保護(hù)、變形觀測，森林和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹了海達(dá)數(shù)云公司生產(chǎn)的hs1200三維激光掃描儀，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的工作和操作原理，探討從數(shù)據(jù)獲取到計(jì)算水庫庫容面積的整個(gè)流程。通過對水庫的掃描、數(shù)據(jù)處理、快速生成地形圖，從而進(jìn)行水庫庫容分析的研究。

1 工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀和軟件系統(tǒng)，電源及配套設(shè)備組成。主機(jī)主要由激光發(fā)射器，接收器，計(jì)時(shí)器，微電腦組成。一臺高速精密激光測距儀，配上一組引導(dǎo)激光器和均等角速掃描反射棱鏡是三維激光掃描儀的主要部件。激光測距儀是發(fā)射激光激光并接收由自然物體出現(xiàn)的反射信號得到斜距（站到掃描點(diǎn)的距離），水平和垂直方向的掃描角度，精確計(jì)算每個(gè)掃描點(diǎn)和測站空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)已知，則可以用它來計(jì)算每個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

在儀器中，兩個(gè)同步鏡快速、有序地旋轉(zhuǎn)后，將一束窄束的激光脈沖發(fā)射體激光脈沖逐行掃掠面積進(jìn)行測量，用每個(gè)激光脈沖的分析物從表面背面儀器的時(shí)間（或相位）來計(jì)算間距，同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器，同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，故任意一個(gè)被測云點(diǎn)P的三維坐標(biāo)為：

2 設(shè)備介紹

海達(dá)數(shù)云HS1200三維激光掃描系統(tǒng)采用最先進(jìn)的高性能近紅外激光技術(shù)，結(jié)合高速掃描儀提供了每秒發(fā)射500000激光脈沖的非接觸數(shù)據(jù)采集功能?；诨夭〝?shù)字和在線回波波形處理功能實(shí)現(xiàn)了高精度測距，即使在惡劣的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)高精度多目標(biāo)回波的測量和識別。產(chǎn)品特點(diǎn)是：高精度、高頻率、全自主、易擴(kuò)展、自動(dòng)化、全流程、超遠(yuǎn)距離可達(dá)1200m。

3 水庫測量實(shí)例

本文選擇要測量的區(qū)域?yàn)闉豸斈君R某水庫，外業(yè)共采集六站數(shù)據(jù)，用時(shí)約1h完成整個(gè)采集過程。采集數(shù)據(jù)過程中會(huì)有噪點(diǎn)數(shù)據(jù)包括空氣中灰塵、人員、過往車輛、地表植被，除此之外被稱為有用數(shù)據(jù)。而這些噪點(diǎn)數(shù)據(jù)要進(jìn)行剔除和處理，之后輸出成果。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)到合格適用數(shù)據(jù)的順序依次是：掃描數(shù)據(jù)分區(qū)-標(biāo)志物選取-掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型-拼接-坐標(biāo)變換-數(shù)據(jù)提取處理（抽隙、去噪）-格式轉(zhuǎn)換-南方CASS坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件的生產(chǎn)。

3.1 外業(yè)流程

3.1.1 現(xiàn)場踏勘

為到達(dá)縮小水汽、揚(yáng)塵雜質(zhì)對激光傳輸路徑和時(shí)間的影響，應(yīng)選擇天氣良好無風(fēng)的環(huán)境穩(wěn)定、空氣質(zhì)量高的適宜環(huán)境下進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇架站位置。為防止信號損失、弱激光信號損失和其他非靜態(tài)因素的影響要對傳輸?shù)溺R面反射面目標(biāo)對象進(jìn)行處理。

3.1.2 架站設(shè)置檔位并采集數(shù)據(jù)

每次架站調(diào)平后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)置檔位（由于水庫面積較需要采集的點(diǎn)密度不大，因而采用掃描頻率10萬點(diǎn)/s，掃描時(shí)間6分35秒）。每站掃描后設(shè)備必須裝箱搬運(yùn)到下一站位置繼續(xù)架站采集數(shù)據(jù)。

3.2 內(nèi)業(yè)流程

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接：主要有標(biāo)靶（球）拼接、控制點(diǎn)拼接、同特征點(diǎn)拼接。本次數(shù)據(jù)使用控制點(diǎn)拼接的方式將各站數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系，整體拼接效果滿足測量需求。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：去噪，抽稀、壓縮等。這些過程都需要HDSCENE和CASS軟件的幫助。

拼接后的數(shù)據(jù)

（3）量取水域面積：按照水庫堤岸下沿為范圍確定水域面積：經(jīng)過實(shí)際量測為 155，612.666m2。

（4）通過去噪和抽稀的數(shù)據(jù)輸入CASS里，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立DTM模型并生成地形圖。通過采用三維激光掃描儀能夠高效的完成對水庫地形的測量。

地形圖

4 行業(yè)應(yīng)用優(yōu)勢

利用常規(guī)測量手段獲取測區(qū)的地形數(shù)據(jù)，其結(jié)果是較少的特征地物和地形數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行采集時(shí)，特別是復(fù)雜地形、水系、陡峭山區(qū)，采集的數(shù)據(jù)量大、實(shí)際地形特征“真實(shí)”。兩者相比就能反映出三維激光掃描儀的優(yōu)越性能，而通過采樣點(diǎn)的量級和精度，只有達(dá)到目標(biāo)就能為設(shè)計(jì)和規(guī)劃建設(shè)人員提供可靠精確的數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

通過結(jié)果表明，常規(guī)傳統(tǒng)的測量方式的缺點(diǎn)在三維激光掃描技術(shù)上得到避免，對舊的測繪方法進(jìn)行了改革創(chuàng)新，已經(jīng)有足夠的能力取代之，這在很大程度上提高了測繪的可靠性，確保了測繪所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，在今后的測量過程中，要不斷地創(chuàng)新發(fā)展，積極的將新技術(shù)與舊技術(shù)合二為一，取其精華棄其糟粕，提高測量的精確性和地形數(shù)據(jù)采集工作的效率，并促進(jìn)測繪行業(yè)的更迭發(fā)展。

對大面積、快速的獲取空間信息數(shù)據(jù)就可以采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行作業(yè)。它在滿足測量精度的條件下可以很大程度上節(jié)省人力，并能以自動(dòng)化、操作簡單、數(shù)據(jù)易管理的特點(diǎn)來替代舊有的測量手段，而且可以提供實(shí)際對象的各種細(xì)節(jié)信息、紋理信息等，特別是特種作業(yè)也能滿足。在本次水庫地形測量結(jié)果滿足的可靠性就能證明這些。

基金項(xiàng)目：校級科研基金（2015xgy36171）。

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