郭韓

摘要：三維激光掃描技術(shù)在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了最新的Trimble SX10地面三維激光掃描儀的主要功能特點(diǎn)并與類似的儀器進(jìn)行了對(duì)比，然后對(duì)利用其完成工程項(xiàng)目的主要作業(yè)流程進(jìn)行了分析，為其在工程中的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

Abstract： Three-dimensional laser scanning technology has broad application prospects in civil engineering. This article introduces the main functional characteristics of the latest Trimble SX10 3D laser scanner and compares it with similar instruments， and then analyzes the main workflow of using it to complete engineering projects， laying a foundation for its practical application in engineering.

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;工程測(cè)量;作業(yè)流程

Key words： 3D laser scanning;engineering surveying;work flow

中圖分類號(hào)：P225.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）19-0193-02

1 ?三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)作為一種新的測(cè)量技術(shù)能夠快速的獲取目標(biāo)的表面特征，并與常規(guī)全站儀一樣通過以點(diǎn)帶面的形式模擬出目標(biāo)的整體特征。與常規(guī)測(cè)量中測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量少，特征信息不全面不同，三維激光掃描技術(shù)能獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，非常有利于建模重構(gòu)。在本世紀(jì)初，三維激光掃描技術(shù)便在人們的生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)被認(rèn)為是繼GPS測(cè)量技術(shù)之后測(cè)量行業(yè)的又一項(xiàng)重要的技術(shù)革新。其能夠?qū)崿F(xiàn)效率高、自動(dòng)化的獲取目標(biāo)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，成為了獲取目標(biāo)表面數(shù)據(jù)，重建目標(biāo)三維模型的重要方法。

三維激光掃描技術(shù)綜合了許多現(xiàn)有的技術(shù)，例如全站儀的測(cè)角測(cè)距技術(shù)，攝影獲取目標(biāo)表面紋理的技術(shù)，以及制圖軟件的點(diǎn)線面體模型構(gòu)建等。常見的三維激光掃描儀一般由三個(gè)部分構(gòu)成，激光測(cè)距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)以及相應(yīng)的支持系統(tǒng)，另外有些三維激光掃描儀還集合數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)。三維激光掃描儀的工作原理為發(fā)射器發(fā)射激光，到達(dá)被測(cè)目標(biāo)表面后反射回來，再由接收器接收反射光。通過測(cè)量激光往返的時(shí)間以及旋轉(zhuǎn)角來測(cè)量到目標(biāo)的距離和激光發(fā)射束的角度。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器一般作業(yè)過程復(fù)雜，工作量大，需要多名技術(shù)人員配合。而三維激光掃描儀則克服上述缺點(diǎn)，具有作業(yè)簡(jiǎn)單，掃描方面，單人操作等優(yōu)點(diǎn)。利用其在土木工程建設(shè)的各個(gè)階段都有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 ?Trimble SX10三維激光掃描儀

2.1 Trimble SX10的特點(diǎn)

作為新一代的地面三維激光掃描儀，Trimble SX10由天寶公司在2016年推出，除了激光掃描的功能之外，該儀器還具有基礎(chǔ)測(cè)量和攝影等功能，為土木工程的專業(yè)技術(shù)人員構(gòu)建了新的工程解決方案。該三維激光掃描儀的主要特點(diǎn)如下：

①掃描速度快，每秒可掃描點(diǎn)的數(shù)量為26600個(gè)，其掃描距離達(dá)到600m;

②在設(shè)站和點(diǎn)云拼接上，可無需反射靶標(biāo)，利用控制點(diǎn)完成，其精度和效率高;

③除了掃描功能，還集成了測(cè)量和影像的功能，可以完成常規(guī)全站儀的測(cè)量功能，同時(shí)利用其影像系統(tǒng)獲取工作區(qū)域的高清影像;

④在強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件的支持下，能夠快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成果輸出。

2.2 Trimble SX10的掃描設(shè)置

Trimble SX10被設(shè)計(jì)為一種創(chuàng)新設(shè)備，將全站儀功能與強(qiáng)大的激光掃描儀功能相結(jié)合。由于其特殊的設(shè)計(jì)和容量，它甚至可以被視為具有全站儀測(cè)量設(shè)備的激光掃描儀而不是相反。實(shí)際上，Trimble SX10掃描速率趨近于傳統(tǒng)激光掃描儀的掃描速率。

Trimble SX10可以非常及時(shí)地獲取場(chǎng)景的密集點(diǎn)云，可以由用戶直接選擇要掃描的區(qū)域，而無需預(yù)先執(zhí)行用于選擇的360°預(yù)覽點(diǎn)云。通過在觸摸屏上點(diǎn)擊四種可能的特性來定義該區(qū)域，可以執(zhí)行密集點(diǎn)云的全圓采集，以獲得360°的最大視野的周圍環(huán)境的全局概覽。但是用戶還可以根據(jù)三種其他的幀選擇觀察窗口：由上下限制的兩個(gè)點(diǎn)定義的帶，由兩個(gè)點(diǎn)定義的矩形或具有更復(fù)雜形狀的多邊形。在構(gòu)成要掃描的目標(biāo)區(qū)域之后，可以修改其他設(shè)置，例如點(diǎn)密度，四點(diǎn)密度對(duì)應(yīng)于掃描線從粗到超密度的略微移位的1，2，4或8個(gè)通道。參數(shù)化的最后一個(gè)設(shè)置是用于著色點(diǎn)云的相機(jī)的選擇，以及這些圖片之間的重疊。使用Trimble SX10進(jìn)行點(diǎn)云采集時(shí)的寶貴資產(chǎn)是可視化現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)。使用Trimble Access軟件可以查看捕獲的點(diǎn)云，并且可以根據(jù)與之相關(guān)的掃描站用真實(shí)顏色，強(qiáng)度值或每次掃描一種顏色來顯示它們。還可以在平板電腦放大捕獲的點(diǎn)云，這在現(xiàn)場(chǎng)是有重要價(jià)值，確保調(diào)查區(qū)域中沒有丟失的部分。

2.3 Trimble SX10與其他掃描設(shè)備

除了天寶公司推出的Trimble SX10新一代激光掃描儀之外，其他測(cè)量?jī)x器制造商也推出了類似的硬件產(chǎn)品。如拓普康公司推出的Topcon IS-3產(chǎn)品，該產(chǎn)品在創(chuàng)建360°全景圖的基礎(chǔ)上，還提供速率為20點(diǎn)每秒的簡(jiǎn)單掃描功能。這意味著可在定義的窗口區(qū)域中沿用戶指定的間隔捕獲點(diǎn)，在測(cè)量和輸入過程中無需用戶針對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)。

除此之外，徠卡公司也推出了具有掃描功能的設(shè)備如Leica MS50或MS60，該設(shè)備與Trimble SX10相似，能夠高效地進(jìn)行掃描。而它們的一大優(yōu)勢(shì)則是測(cè)量所有點(diǎn)可在同一個(gè)唯一參考系統(tǒng)中進(jìn)行協(xié)調(diào)。與Leica MS50/MS60相比，Trimble SX10 有著更高的掃描速率，這是由于SX10設(shè)備上沒有望遠(yuǎn)鏡，取而代之的是安裝攝像頭并使用相應(yīng)的遙控器進(jìn)行控制。Trimble SX10與其他地面三維激光掃描設(shè)備對(duì)比如表1所示。

3 ?Trimble SX10的作業(yè)流程

3.1 控制網(wǎng)建立

控制網(wǎng)建立的目的是實(shí)現(xiàn)整個(gè)掃描區(qū)域的坐標(biāo)統(tǒng)一，在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)時(shí)需要結(jié)合項(xiàng)目需求精度來進(jìn)行。Trimble SX10由于集成了常規(guī)全站儀的功能，故可以采用全站儀設(shè)站的方式完成設(shè)站工作，其設(shè)站精度高。在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，為能夠根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行掃描儀的定向并掃描規(guī)定區(qū)域，需要仔細(xì)考慮設(shè)備的設(shè)站位置。

3.2 點(diǎn)云掃描

為了獲取符合精度要求的，完整的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)建模打好基礎(chǔ)，需要進(jìn)行點(diǎn)云掃描。在做好前期準(zhǔn)備工作之后，Trimble SX10三維激光掃描儀在設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描的主要過程如下：

①儀器架設(shè)。在選定好的設(shè)站位置架設(shè)儀器，對(duì)相關(guān)的配件進(jìn)行連接，并完成對(duì)中整平等基本工作。

②儀器設(shè)站。利用已知的控制點(diǎn)，利用自由設(shè)站法進(jìn)行定向和設(shè)站。

③點(diǎn)云掃描。利用平板電腦控制掃描儀，對(duì)工程的文件名、存儲(chǔ)位置、掃描范圍及分辨率等信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，確定無誤之后開始掃描工作。

④數(shù)據(jù)檢查與換站。單站掃描結(jié)束之后，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保數(shù)據(jù)合格。若不合格則需重新掃描，若檢查合格則可換站繼續(xù)掃描。

3.3 數(shù)據(jù)處理和建模

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，其數(shù)據(jù)處理過工作主要是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的主要過程包括點(diǎn)云拼接、去噪、精簡(jiǎn)、構(gòu)建三角網(wǎng)，曲面擬合以及貼紋理等。由于被掃描的目標(biāo)由多個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到，此時(shí)為了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合為一個(gè)整體需要進(jìn)行點(diǎn)云拼接。為保障點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，一般需要進(jìn)行預(yù)處理工作對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和精簡(jiǎn)。點(diǎn)云去噪的方法包括雙邊濾波、高斯濾波、分箱去噪、直通濾波、隨機(jī)采樣一致性濾波等。去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量仍然很大，會(huì)降低數(shù)據(jù)處理的的效率，故一般需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，縮減數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)建模速度。點(diǎn)云去噪及精簡(jiǎn)完成之后，可在其基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)曲面，并通過編輯、修補(bǔ)、縮減分、割以及設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)、柵格化。完成上述操作之后即可通過曲面擬合建立完整的模型，但是此時(shí)的模型缺乏真實(shí)目標(biāo)的表面紋理信息，仍需要通過對(duì)目標(biāo)表面拍攝的影像完成貼紋理的操作。

目前利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的商業(yè)軟件較多，可快速完成建模過程，比如天寶公司自帶的TBC點(diǎn)云模塊就可以將Trimble SX10三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速構(gòu)建成相應(yīng)的三維模型。

4 ?結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)在土木工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，本文主要概述了Trimble SX10三維激光掃描儀的主要功能，與其他的類似設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)而分析了利用Trimble SX10設(shè)備進(jìn)行三維建模的主要流程。Trimble SX10作為最新一代的三維激光掃描設(shè)備，在土木工程測(cè)量中有著較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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