谷田平

(1.河南省計量科學研究院，河南 鄭州 450000；2.國家水表質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，河南 鄭州 450000)

山地地形測繪和面積計量一直是測繪和計量工作者難以完善解決的問題，山地地形面積、體積測繪計量環(huán)境復雜，干擾因素眾多，勞動強度較大，致使許多山地表面積及相關數(shù)據(jù)無法高效準確地獲得，這就為光學測繪計量提出了更高的要求。三維激光掃描技術是20世紀90年代中期出現(xiàn)的新技術，又被稱為實景復現(xiàn)技術[1]。其通過激光高速掃描測量的方法，高分辨率大范圍地快速獲取被測對象的三維坐標數(shù)據(jù)。目前其在文物建設數(shù)字化還原保護，工業(yè)測量搬遷，土木工程建設等領域應用較多，較少應用于大面積山地測量，本文通過利用Trimble TX8三維激光掃描儀對某山地進行三維掃描建模，可以高效準確地獲得該山地表面積計量數(shù)據(jù)，并構建三維模型圖，進一步拓展了三維激光掃描儀的應用實例。

1 Trimble TX8三維激光掃描儀工作技術原理

三維激光掃描儀如圖1所示，與全站儀工作原理相似，用微電機進行水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)，用激光作為光源進行測距[2-8]。在儀器工作過程中，首先通過利用測量水平角的反射鏡和測量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)生體發(fā)出的窄帶激光脈沖依次掃過被測領域，測距模塊逐一測量激光脈沖的空間距離，同時掃描控制模塊和測量每個脈沖激光的水平角和天頂距[9-15]，最后按空間極坐標構建分析計算出掃描的激光點在被測物體上的三維坐標。

圖1 Trimble TX8三維激光掃描儀

Trimble TX8具有360°×317°的視場掃描角和每秒1 000 000點的數(shù)據(jù)獲取速度，可以在3 min內(nèi)完成一次典型的測量測繪任務。TX8在其整個120 m量程范圍內(nèi)均可以保持高準確度測量，同時，在進一步升級配置后，其測程更可擴展至340 m。通過Trimble TX8三維激光掃描儀及Trimble自行開發(fā)的Trimble Realworks點云處理軟件的結(jié)合，可以快速準確地實現(xiàn)各類地形測繪及拼接建模，進一步獲取相關的信息數(shù)據(jù)。

2 Trimble TX8三維激光掃描儀山地測量三維建模應用

對規(guī)則幾何形狀且分割面少的地形環(huán)境，傳統(tǒng)的面積測量可以較為準確、高效地測得相應數(shù)據(jù)，但對于山地特別是有遮擋物和梯田及其他復雜地形的測量，想要達到一定的準確度，具有良好的復現(xiàn)性，則會效率極低，本次測量的地形如圖2所示。

圖2 山地面積計量三維建模

測量的面積為整個山體的表面積，包括梯田斜坡面積等，對于近10萬m2的地形測量而言是極為復雜的。如果采取傳統(tǒng)方法通常需要5～8個工作日完成，且不能完整地繪出山地模型，復現(xiàn)性差且準確度不高。而利用Trimble TX8三維激光掃描儀進行掃描，可以充分發(fā)揮其計量準確度高，捕捉信息全等特點，并能進行有效的三維建模，分析出等高線，利用三角格體積面積計算法求出整個計算區(qū)域的體積值和表面積值。本次測量采用Trimble TX8三維激光掃描儀進行掃描建模，共架設了32個站點，如圖3所示，對細節(jié)部分采取密集架站模式，全程共架設站點32處，采集有效數(shù)據(jù)100多億個，利用Realworks對各架站數(shù)據(jù)點進行實際拼接，得到三維建模圖。

圖3 架站位置布置圖

3 山地三維建模分析計算與傳統(tǒng)測量方法的分析比較

本次測量通過圍尺和全站儀分別進行了不同測量點的周長計算，得到周長數(shù)據(jù)與三維激光掃描法數(shù)據(jù)比對見表1。

表1 不同測量方法山地周長對比 mm

從表1中可以看出，運用Trimble三維激光掃描儀測量計算出的周長與普通測量方法測量的數(shù)據(jù)比較接近。山地周長與表面積測量均與測量點數(shù)量相關，在進行山體表面積計算測量中，結(jié)合天寶自行開發(fā)的Realworks進行三角網(wǎng)格化建模分析計算面積，創(chuàng)建三角網(wǎng)格8000余個，并計算出山地表面積為93 875.862 m2，如圖4所示。另外運用全站儀分別進行架站測量，并通過對整個山地進行人為三角網(wǎng)絡分隔進行山地表面積計算，并對不同個數(shù)的三角網(wǎng)絡分隔計算出山地表面積，與三維激光掃描儀數(shù)據(jù)進行比較，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 全站儀不同網(wǎng)格數(shù)與三維激光掃描儀山地表面積計算的數(shù)據(jù)比較

圖4 三角網(wǎng)格法表面積計算建模

從表2可見，全站儀人工三角網(wǎng)格劃分的數(shù)量越多，與三維激光掃描儀利用Realworks計算得到的山地表面積越接近，這為三維激光掃描儀進行復雜山地表面積計量的準確性給予了很好的驗證。三維激光掃描儀三維建模中每一個可顯示點均為一個基本數(shù)據(jù)單元，從中可以進行較為全面的理論數(shù)據(jù)分析，在給予直觀三維模型的基礎上，大大提高了數(shù)據(jù)的準確性和分析的多元性。

4 結(jié) 語

從本文Trimble TX8在山地面積計量中的應用可以看出，三維激光掃描儀具有掃描速度快，三維建模還原度高，數(shù)據(jù)獲取準確高效，建模過程簡單易用等優(yōu)點，而且可利用其配套軟件進行進一步的數(shù)據(jù)分析處理，從而得到多維度的建模圖形和數(shù)據(jù)報表，拓展了其應用模式和分析能力，為三維激光掃描在復雜環(huán)境地形中的進一步深入應用提供了借鑒，也為大數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)建模提供了良好的技術支撐。