王晶晶
(山東省地質(zhì)測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250002)
地面三維激光掃描是在現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種新型專業(yè)測(cè)量技術(shù),相較于傳統(tǒng)的人力測(cè)量和3S技術(shù)來(lái)說,利用激光進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量,不僅在準(zhǔn)確性方面有所提升,還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)檢測(cè),在很大程度上簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)測(cè)量的流程和步驟,對(duì)現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響。但是其作為一種新型的技術(shù),由于需要相關(guān)設(shè)備的支撐,在發(fā)展的過程中還存在落實(shí)方面的問題,這在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣。所以在發(fā)展的過程中,需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)地面三維激光測(cè)量技術(shù)的重視和研究,將現(xiàn)代社會(huì)需求與測(cè)量技術(shù)工作結(jié)合起來(lái),推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展。
在現(xiàn)階段社會(huì)的發(fā)展過程中,科學(xué)技術(shù)日新月異,在測(cè)量掃描技術(shù)方面,也出現(xiàn)了各種新型的技術(shù)。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是在激光技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新型測(cè)量技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)行過程中,三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后對(duì)這些信息進(jìn)行分析整理,就可以得出對(duì)象的具體數(shù)據(jù),因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型[1]。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)來(lái)說,激光測(cè)繪技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性,已經(jīng)得到了相關(guān)人員的重點(diǎn)關(guān)注。
三維激光掃描技術(shù)主要通過高速激光掃描測(cè)量的方法,對(duì)需要掃描的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量,然后大面積高分辨率的快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),并且測(cè)出測(cè)量對(duì)象的反射率以及顏色等信息。然后將這些信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等設(shè)備中進(jìn)行具體的分析和整理,從而復(fù)制出1∶1的真彩色三維點(diǎn)云模型。該模型中包含著測(cè)量對(duì)象的各種信息,能夠在很大程度上滿足測(cè)量工作的需要,為后續(xù)的業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)分析等活動(dòng)都提供了足夠數(shù)量并且十分精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。而且通過三維激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量,還具有快速性、效益高、不接觸性、穿透性、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]。相較于傳統(tǒng)的3S測(cè)量技術(shù)來(lái)說,三維激光技術(shù)在發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的再突破,打破了目前空間信息技術(shù)發(fā)展實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的頸瓶,實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量對(duì)象的多點(diǎn)測(cè)量。
在三維技術(shù)的發(fā)展過程中,相關(guān)人員結(jié)合激光掃描的特點(diǎn),研發(fā)出了專業(yè)的測(cè)量設(shè)備,即三維激光掃描儀,三維激光掃描技術(shù)是國(guó)際上近期發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù),是通過激光測(cè)距原理瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值的測(cè)量?jī)x器,并利用三維技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型。三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成。這些設(shè)備共同組合成了三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng),是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。該設(shè)備主要應(yīng)用于文物保護(hù)、城市建筑測(cè)量、地形測(cè)繪以及各種工程建設(shè)中。
激光掃描技術(shù)作為3S測(cè)量技術(shù)的上位替代,必須要具有很大的優(yōu)勢(shì),才能在現(xiàn)階段發(fā)展過程中快速推進(jìn)?,F(xiàn)階段的激光掃描技術(shù)在發(fā)展的過程中克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量的問題,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量,很大程度上保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。然而激光測(cè)量也存在本身的劣勢(shì),相關(guān)人員要想將其應(yīng)用到現(xiàn)代工程檢測(cè)環(huán)節(jié),就需要同時(shí)了解其優(yōu)勢(shì)和缺陷,這樣才能更好地發(fā)揮激光掃描的優(yōu)勢(shì),避免在應(yīng)用環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。
作為在3S技術(shù)基礎(chǔ)上提升而來(lái)的一種全新的測(cè)量技術(shù),地面三維激光主要特點(diǎn)首先是具有較高的精準(zhǔn)度,傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)很容易就會(huì)受到外界自然環(huán)境的影響,造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差,3S測(cè)量技術(shù)雖然在一定程度上能夠規(guī)避外在環(huán)境以及惡劣天氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響,但是其只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量,相較于地面三維激光技術(shù)的多點(diǎn)測(cè)量就存在精準(zhǔn)度方面的差距。其次,設(shè)備的智能化程度較高。通過三維激光掃描儀進(jìn)行的測(cè)量工作,相關(guān)人員只需要設(shè)置好參數(shù)和測(cè)量位置,設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,在數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)收集以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化。而且在發(fā)展過程中,計(jì)算機(jī)按照事先設(shè)置好的程序進(jìn)行工作,一旦工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差,還能夠自主進(jìn)行糾正,智能化程度較高。再次,信息收集范圍廣。地面三維激光掃描技術(shù)收集到的信息范圍相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)來(lái)說也較為廣泛,該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)位的測(cè)量作業(yè),并且利用激光的性能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象全方位檢測(cè),能夠快速而且準(zhǔn)確地收集到大量的數(shù)據(jù)信息。后臺(tái)系統(tǒng)在接收到這些信息之后,能夠通過相關(guān)軟件進(jìn)行自動(dòng)化的處理,并建立起三維的虛擬模型,更加直觀而且全面地展現(xiàn)對(duì)象的信息。最后,能夠提升測(cè)量工作的效率。傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)在信息收集環(huán)節(jié)無(wú)法甄別錯(cuò)誤信息,往往會(huì)將收集到的信息全部傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,還需要專業(yè)的人員進(jìn)行篩選,這在一定程度上影響了測(cè)量工作的效率[3]。地面三維激光測(cè)量技術(shù)在對(duì)大量的信息進(jìn)行存儲(chǔ)的過程中,能夠顯示出來(lái)有問題的數(shù)據(jù),幫助相關(guān)人員快速篩選信息。而且該技術(shù)設(shè)備較為簡(jiǎn)單,測(cè)量工作開展方便,能夠在很大程度上提升測(cè)量的效率。
地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)作為現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展過程中出現(xiàn)的新型測(cè)繪技術(shù),對(duì)測(cè)量行業(yè)的精度提升很大,具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性。但是在其發(fā)展過程中,由于技術(shù)性等方面的原因,其也存在一些缺陷。首先,作為科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物,地面激光三維掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的技術(shù)性,需要借助激光掃描儀才能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量作業(yè),所以相關(guān)人員在進(jìn)行測(cè)量的過程中就需要花費(fèi)大量的資金進(jìn)行設(shè)備的購(gòu)買,而且相應(yīng)的三維模型建立也需要專業(yè)的軟件進(jìn)行操作,也需要一定的成本,前期投入的資金量比較大。其次,技術(shù)性較強(qiáng)也帶來(lái)另一重要問題,這就需要專業(yè)技術(shù)人員的支撐,激光掃描儀雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化,還能夠?qū)崿F(xiàn)問題自動(dòng)甄別,但是前期的儀器參數(shù)設(shè)置以及后期的信息篩選甚至是三維模型的建立都需要技術(shù)人員的參與,就需要專業(yè)的技術(shù)支撐。最后,設(shè)備的應(yīng)用環(huán)節(jié)問題。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)來(lái)說,三維激光掃描技術(shù)發(fā)展較晚,專業(yè)人員對(duì)其的研究還未深入,現(xiàn)階段激光掃描技術(shù)還停留在淺層的利用方面,這就造成技術(shù)推廣方面存在問題,或者是測(cè)量對(duì)象錯(cuò)誤等問題,也在一定程度上影響了地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。然而即便如此,該技術(shù)依然具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性,其存在的問題相較于其優(yōu)勢(shì)可以說是瑕不掩瑜,相關(guān)人員在利用的過程中就需要能夠針對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生不良影響的各種因素采取必要的預(yù)防措施,在避免其缺陷的前提下進(jìn)行該技術(shù)的使用,并在應(yīng)用環(huán)節(jié)對(duì)其進(jìn)行完善。
作為測(cè)量技術(shù)的一種,地面三維激光的功能主要就在于實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工程的測(cè)量,從而方便后續(xù)工作的開展,所以如何將地面三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)階段社會(huì)的發(fā)展過程中才是相關(guān)人員需要考慮的問題。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)來(lái)說,地面三維激光掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性,在保證質(zhì)量的同時(shí)能顯著地提升測(cè)量效率,所以在發(fā)展的過程中,地面三維激光測(cè)量應(yīng)該成為傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的上位替代。但是在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中,由于實(shí)際環(huán)境和各種因素的影響,該技術(shù)在使用范圍方面也會(huì)受到一定的限制?,F(xiàn)階段的地面三維激光測(cè)量技術(shù)主要適配于文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化以及城鄉(xiāng)規(guī)劃等各個(gè)環(huán)節(jié)。
在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展過程中,為了進(jìn)一步規(guī)劃資源利用和促進(jìn)現(xiàn)代化的發(fā)展,相關(guān)人員在發(fā)展過程中就需要針對(duì)地形進(jìn)行測(cè)量,以方便公路鐵路以及各種工程的建設(shè)。但是由于相關(guān)工程結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)質(zhì)量的需求很高,工作人員就需要在對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)以及地形等特征進(jìn)行了解之后進(jìn)行工程的建設(shè),這樣才能保證工程的質(zhì)量。地面三維激光測(cè)量技術(shù)作為先進(jìn)的測(cè)量手段,可以應(yīng)用在地形圖測(cè)繪的等高線生成、獲取特異點(diǎn)、提取地物與繪制以及編織成圖等環(huán)節(jié)。在提取地物與繪制環(huán)節(jié),由于我國(guó)的地形復(fù)雜多樣,山地、丘陵、斷壁以及懸崖等較為特殊的區(qū)域常規(guī)測(cè)量手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的測(cè)量,就可以通過地面三維激光掃描技術(shù)以一種無(wú)接觸方式實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)的測(cè)量。這樣一來(lái),就能在很大程度上保證數(shù)據(jù)測(cè)量的完整性。在等高線的繪制方面,等高線作為確定地形圖展示實(shí)際高度的重要指標(biāo),在地形圖測(cè)繪中具有重要的作用。地面三維激光測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域全程的信息采集,然后經(jīng)由相關(guān)人員對(duì)地物、植被進(jìn)行剔除,借助平均面迭代法計(jì)算出平均面[4]。之后在經(jīng)由專業(yè)的設(shè)備剔除與平均面有較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù),重復(fù)此操作,就能夠得到較為完整的地貌數(shù)據(jù)。然后就是把抽稀之后所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入大比例尺數(shù)字測(cè)圖軟件當(dāng)中,便能夠自動(dòng)生成所需要的等高線。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)來(lái)說,激光測(cè)量具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),在數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和測(cè)量效率方面均有所提升。而在特征點(diǎn)獲取環(huán)節(jié)也需要激光技術(shù)的運(yùn)用。特征點(diǎn)是指實(shí)際地形中具有鮮明特點(diǎn)的事物或建筑,運(yùn)用地面三維激光掃描技術(shù),首先針對(duì)區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行掃描,該技術(shù)就能自動(dòng)尋找到標(biāo)志性的建筑物或者是特別容易甄別的地貌。這樣一來(lái),就能夠?yàn)榈匦螆D的繪制提供參考點(diǎn),避免相關(guān)測(cè)繪環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤。最后就是編制成圖環(huán)節(jié)。地面三維激光測(cè)量還具有數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),通過事先檢測(cè)到的具體數(shù)據(jù),計(jì)算機(jī)以及專業(yè)的系統(tǒng)軟件就能在電腦上實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的建模,然后就可以根據(jù)模型進(jìn)行地形圖的繪制。用地面三維激光掃描技術(shù)開展地形圖測(cè)繪,不僅降低了相關(guān)人員外景采集的難度,還在很大程度上保證了測(cè)量信息的準(zhǔn)確性,是對(duì)傳統(tǒng)地形測(cè)繪的巨大提升。
地面三維激光測(cè)量技術(shù)不僅能適用于地形的測(cè)量,還能夠應(yīng)用在工程方面,對(duì)土方量進(jìn)行測(cè)量。土方量是指建筑工程施工環(huán)節(jié)挖土、填土以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)土的立方米總量,在工程發(fā)展過程中具有重要的作用,其精準(zhǔn)度直接影響相關(guān)建筑工程的質(zhì)量。在將地面三維測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到該環(huán)節(jié)時(shí),首先需要根據(jù)工程的實(shí)際需要,對(duì)土方填挖量進(jìn)行計(jì)算,借助激光技術(shù),收集道路的縱橫斷。其次在收集邊坡以及道路縱橫斷等各種信息,按照相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)構(gòu)建曲面模型,從而將建筑的整體需求展現(xiàn)在模型中,這樣一來(lái),相關(guān)建筑人員就能夠根據(jù)模型得到準(zhǔn)確而全面的數(shù)據(jù),從而降低工程建設(shè)環(huán)節(jié)難度[5]。最后就是將曲面模型和地面模型按比例進(jìn)行增減計(jì)算,激光技術(shù)就可以通過計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件計(jì)算出土方的量,從而核算土方量是否一致,保證工程的順利實(shí)行。此外,針對(duì)建筑工程的基準(zhǔn)面也要多加關(guān)注,在發(fā)展過程中利用激光技術(shù)測(cè)量出基于工程的高程及邊界建立基準(zhǔn)面,在處理好點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,將其進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,使之處于工程實(shí)地坐標(biāo)系當(dāng)中,并通過最小二乘法來(lái)完成起算基準(zhǔn)面的構(gòu)建,還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)整。這樣一來(lái),就能夠在很大程度上保證建筑工程的順利開展,從而促進(jìn)建筑事業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)階段,社會(huì)的發(fā)展離不開交通事業(yè)的支持,道路作為交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成,在社會(huì)發(fā)展過程中承擔(dān)著重要的任務(wù)。道路對(duì)于質(zhì)量有著較高的要求,而且往往會(huì)經(jīng)過各種復(fù)雜的地形以及環(huán)境惡劣的地區(qū),這就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行工程的建設(shè)。將地面三維激光測(cè)量技術(shù)運(yùn)用到道路的建設(shè)過程中,就能在很大程度上提升道路建設(shè)的質(zhì)量和效率。一方面,針對(duì)道路的高程測(cè)量,在三維激光掃描出現(xiàn)以前,相關(guān)人員在進(jìn)行道路的高程測(cè)量工作時(shí)需要耗費(fèi)大量的精力,還需要借助水準(zhǔn)儀以及塔尺等工具進(jìn)行測(cè)量,不僅效率低下,還很容易產(chǎn)生偏差。三維激光掃描技術(shù)通過系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的掃描,選擇出特征點(diǎn),并計(jì)算出特征點(diǎn)之間的距離,然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)處理系統(tǒng)中,進(jìn)行模型的構(gòu)建,這樣一來(lái),就能夠通過模型和實(shí)際地形的對(duì)照,經(jīng)過修整之后實(shí)現(xiàn)對(duì)道路高層的測(cè)量。而在道路竣工測(cè)量中,傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要大量的設(shè)備進(jìn)行具體數(shù)據(jù)的收集,工作量十分艱巨,在一定程度上阻礙了工程的發(fā)展[6]。將三維激光技術(shù)應(yīng)用到竣工測(cè)量中,激光測(cè)量?jī)x就能自動(dòng)對(duì)道路樣圖與縱橫斷進(jìn)行測(cè)繪,并基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的自動(dòng)提取以及道路樣圖的繪制,在很大程度上提升竣工檢測(cè)的效率。
傳統(tǒng)的測(cè)量手段和三維激光測(cè)量技術(shù)最大的差異就是地面三維激光技術(shù)能夠?qū)y(cè)量對(duì)象進(jìn)行三維建模,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形信息,在保證數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了效率的提升,所以該技術(shù)在三維建模方面發(fā)展迅速。一方面,借助地面三維激光掃描技術(shù)信息收集的廣泛性特征,相關(guān)人員能夠得到海量的測(cè)量對(duì)象的各種信息以及三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),為三維真實(shí)尺寸場(chǎng)景的制作提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐,相關(guān)人員能夠憑借這些數(shù)據(jù),再結(jié)合紋理映射所生成的彩色三角網(wǎng)面片,建立起對(duì)應(yīng)各種信息的分塊模型,然后將分塊模型進(jìn)行整合,實(shí)行邊緣模糊化處理之后,就可以構(gòu)建一個(gè)尺寸真實(shí)且信息精準(zhǔn)的彩色模型,增加了模型制作的精細(xì)程度。另一方面,現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展過程中的設(shè)備越發(fā)復(fù)雜,傳統(tǒng)的建模手段難以滿足發(fā)展的需要,通過三維激光測(cè)量技術(shù)的使用,便能得到精確度更高的3D模型,并且還能提供具有可視化效果的三維模型,在很大程度上促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展。
在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展過程中,由于城市化發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的需要,測(cè)量技術(shù)的重要性與日俱增,地面三維激光測(cè)量技術(shù)作為現(xiàn)代社會(huì)測(cè)量技術(shù)的重要組成,相較于其他技術(shù)來(lái)說具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),需要相關(guān)人員加強(qiáng)對(duì)其的重視程度。但是作為新興的測(cè)量技術(shù),要想充分地發(fā)揮其功能,相關(guān)人員還需要解決該技術(shù)在發(fā)展過程中存在的問題,并且結(jié)合激光技術(shù)本身的特點(diǎn),將其應(yīng)用在合適的方面,最大程度上發(fā)揮出三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的功能和優(yōu)勢(shì),促進(jìn)我國(guó)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。