摘要：隨著測繪技術的飛速發(fā)展，三維激光掃描等高科技手段不斷在施工測量中得到應用。文章介紹了三維激光掃描儀的原理、特點，并以北京市密云縣魯家溝鐵礦陡嶺子南溝礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理項目為例，介紹了利用三維激光掃描技術進行土方測量的內(nèi)外業(yè)工作流程，闡述了質(zhì)量控制的關鍵環(huán)節(jié)和方法，通過對比，論證了三維激光掃描技術在效率和質(zhì)量上獨特的技術優(yōu)勢。

關鍵詞：地面三維激光掃描""土方測量""數(shù)據(jù)采集""點云""配準

中圖分類號：P623"""文獻標識碼：A

Application"of"3D"Laser"Scanning"Technology"in"Topographic"Survey

FENG"Guofei

（Beijing"Institute"of"Geology"for"Mineral"Resources，"Beijing，"101500"China）

Abstract："With"the"rapid"development"of"surveying"and"mapping"technology，"high-tech"means"such"as"3D"laser"scanning"are"constantly"applied"in"construction"surveying."This"paper"introduces"the"principlesnbsp;and"characteristics"of"the"3D"laser"scanner，"and"takes"the"project"of"mine’s"geological"environment"control"in"the"Doulingzi"Nangou"mining"area"of"Lujiagou"Iron"Mine，"Miyun"County，"Beijing"as"an"example"to"introduce"the"internal"and"external"work"process"of"earthwork"measurement"by"using"3D"laser"scanning"technology，"expound"the"key"links"and"methods"of"quality"control，"and"demonstrate"the"unique"technical"advantages"of"3D"laser"scanning"technology"in"efficiency"and"quality"through"comparison.

Key"Words："Terrestrial"3D"laser"scanning;"Earthwork"survey;"Data"acquisition;"Point"cloud;"Registration

地形測量難度比較大，涉及很多方面的內(nèi)容，任何一個細節(jié)控制不當，都會影響地形測量的準確性。傳統(tǒng)測技術存在很多的局限性，且干擾因素比較多，難以為城市規(guī)劃設計和工程建設提供真實有效的數(shù)據(jù)地形數(shù)據(jù)支持。三維激光掃描技術的發(fā)明和有效解決了這一問題，既能全方位獲得地形數(shù)據(jù)，也能大幅度提升地形測量人員的工作效率，契合現(xiàn)代化地形測量的要求，值得大范圍推廣應用。

文章基于三維激光掃描技術方式，使用非接觸方法對測量地形實施掃描，迅速采集大量三維資料與參數(shù)，該技術能夠大大減少人工成本，優(yōu)化作業(yè)效率，并且能夠確保收集圖像的真實性，在大面積土地測量項目中值得被借鑒。

1"三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描設備的構造復雜，涵蓋相機設備、地面掃描儀器、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及相關輔助裝置。當下，伴隨著科學技術的飛速進展，測量工作中會應用大量的高新技術與新型設備，三維激光掃描設備的類型也愈發(fā)繁多，詳細地講，依據(jù)掃描對象的不同，可被分為機載式掃描設備、土地測量掃描設備、便攜式掃描設備等等，依據(jù)掃描距離的長短，又能被分為短距離掃描設備、中距離掃描設備以及長距離掃描設備，還有航空專用掃描設備等。設備的基本原理如圖1所示，采用設備內(nèi)部的激光發(fā)射裝置，對被測量對象投射脈沖激光，實施反復掃描，然后可獲取被測量對象至掃描中心的間距，再結合掃描模塊的分析，從不同的方位掃描測量的對象，獲取測量對象的空間坐標參數(shù)[1]。

2"數(shù)據(jù)采集的主要外業(yè)工作及流程

2.1"現(xiàn)場踏勘與站點選取

現(xiàn)場勘察是為了更加精確地掌握被掃描的范圍實際地勢狀況，這樣能夠更加合理地布置掃描測量點。測量點的布設需要考慮到掃描角度、精度等條件。盡量選取在通視環(huán)境寬闊的地方，最大程度地擴大掃描區(qū)域，防止出現(xiàn)測量的盲點。另外，測量點的布設還需要結合掃描設備的可測距離，緊鄰的測量點所掃描的目標不會發(fā)生重疊或者漏掃的問題[2]。

2.2"控制點布設

首先，選用“測量點與后視點”的參數(shù)收集方式時，其控制點和測量點需要重疊。其次，選用其他參數(shù)收集方式時，其控制點的布設需要超過3個，并均勻布設于全部測量區(qū)域，但需要注意不能布設太多，確保掃描精度合理即可，過多的控制點會增加內(nèi)業(yè)工作量。最后，控制點周圍的地勢不能起伏過大，可以方便安裝全站儀、水準儀等設備[3]。

2.3"站點數(shù)據(jù)采集

在站點部位安裝掃描設備，調(diào)節(jié)好設備的分辨率，在實施站點的云數(shù)據(jù)調(diào)配時，需要采用確保使用的標靶分辨率高，這樣能夠保障標靶中心部位的坐標更加精確。標靶需要布設于鄰近站點測量的重疊范圍，不能在一條直線上，數(shù)量需要大于3個。掃描測量環(huán)節(jié)中，需禁止人員來回走動，降低異常點的出現(xiàn)概率，遷站之前，需要核實測量的參數(shù)，避免出現(xiàn)遺漏。

3"數(shù)據(jù)處理

3.1"噪聲去除

噪聲的源頭有許多，除了與數(shù)據(jù)信息有關的外界聲音都需要去除，如鄰近建筑設備的運行聲音、車輛啟停聲音等。

3.2"標靶中心坐標提取

靶標的中心坐標參數(shù)，是每個站點與云數(shù)據(jù)銜接調(diào)配的關鍵依據(jù)，和最終的測量精度有著密切的關聯(lián)。獲取中心部位的坐標數(shù)據(jù)，一般都是采用設備中系統(tǒng)自帶的靶標分辨功能自動識別。

3.3"多站點云數(shù)據(jù)配準

三維激光所獲取的云數(shù)據(jù)信息，是在測量點的坐標系中的，并且，每個站點的坐標系都是不一樣的。為采集測量范圍內(nèi)的全部數(shù)據(jù)，需將靶標的中心設置為公共控制區(qū)，銜接每個站點的數(shù)據(jù)信息，把全部站點的云數(shù)據(jù)整合至共同的坐標系中[4]。

3.4"點云數(shù)據(jù)簡化

三維激光掃描設備在一秒鐘能夠獲取數(shù)萬點坐標數(shù)據(jù)信息，在大量數(shù)據(jù)的輸出下，后續(xù)的內(nèi)業(yè)分析環(huán)節(jié)需要配置性能更高的計算機系統(tǒng)，并且，土地測量工作中不需要使用太過密集的云數(shù)據(jù)，所以，應該結合云數(shù)據(jù)的分布狀況適當?shù)暮喕瘮?shù)據(jù)。

4"成果檢查驗收

掃描測量的數(shù)據(jù)，通過坐標的更改，獲取到絕對定向之后，需要通過相關核驗，確保其準確性，事先在測量區(qū)域中間與四周均勻設置好核驗點，使用一般的測量技術，采集三維坐標參數(shù)，然后自模型內(nèi)獲取測量點的坐標參數(shù)，和采集到的參數(shù)進行對比，實現(xiàn)核驗精度的目的。

5"工程實例

5.1"任務簡介

北京市房山區(qū)金子溝石料開采廠位于北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)黃院村金子溝，開采礦種為水泥用石灰?guī)r。交通較為便利。受北京市房山區(qū)金子溝石料開采廠（甲方）委托，筆者所在團隊負責該礦區(qū)測量工作。

5.2"方案策劃

假如使用極坐標方式，結合碎步點的距離標準，不能超過計算范圍的網(wǎng)格距離。同時，由于地形起伏不定，需要加設更多的點，那么全部測量范圍中需要布設40"00點以上，如果忽視測量需要的時間，每個工作日收集400～500點，那么僅碎步的測量就需要大于7"d的時間，從工程進度層面分析，難以符合甲方的要求。所以本項目使用三維激光掃描的方式。

5.3"外業(yè)實施

為優(yōu)化作業(yè)效率，工程的測量團隊分為兩組，由第一組實施三維激光掃描，布設36個站點，采用RieglVZ400儀器，對測量范圍內(nèi)實施掃描。各站點停留掃描10"min，保障測量作業(yè)不出現(xiàn)遺漏問題[5]。

由第二組管控檢查點與控制點的排布與測量。如圖2所示，在測量區(qū)域中，均勻設置16個控制點位（K1～K16），測量區(qū)域的南邊與西邊設置10個檢查點位（J1～J10）。

在信號接收良好的測區(qū)，利用GPS控制點，用實時動態(tài)載波相位差分技術RTK（Real-time"kinematic，RTK），進行地形圖測量。測區(qū)存在極個別信號覆蓋不到的地區(qū)，用RTK測量方法，把導線點引至該地區(qū)外圍，然后用全站儀進行測量。

RTK是世界上最先進的測量設備之一，目前被廣泛應用于工程測量、地籍測量及板塊位移等領域。它由基站及移動站兩部分組成。基站用于接收太空中伺服的GPS衛(wèi)星差分的信號信息。移動站司職接收基站中繼的差分信息。施工中我方首先將RTK基站架設于東側某較為平坦的山頂上，地面做標記，搜索太空衛(wèi)星、連接手簿、改正數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)與高程系統(tǒng)。這樣就可以數(shù)據(jù)采集作業(yè)了[6]。

5.4"內(nèi)業(yè)處理

RiSCANPRO在實施RIEGLVZ-1000的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，其數(shù)據(jù)的顯示方式有很多種，例如二維形式、三維形式、360°全景形式等。應根據(jù)項目的實際要求，應用與之匹配的顯示形式。針對特殊部位，如溝壑、河道、學校建筑、醫(yī)院建筑等，能夠使用不同樣式的符號對其標記，標記好之后進行場景導出，導出格式一般都是DXF，然后參考補充測量的相關參數(shù)，便可以為地形圖的繪制提供更加精確的數(shù)據(jù)資料。

為確保項目三維激光掃描設備的測量完整，還需將每一個測站點所采集的參數(shù)拼接處理完善，項目中選用迭代最近點計算方式，進行數(shù)據(jù)銜接，可以整合出銜接和諧的起伏畫面，然后通過RiSCANPRO進行細致處理。便可以將全部測量范圍的數(shù)據(jù)銜接完成，得到最后的地形測量圖（如圖3所示）。

從RiSCANPRO軟件中，將DXF文件提取出來，結合南方CASS軟件對其深化處理，輸入需補充標記的參數(shù)信息。然后依據(jù)掃描區(qū)域的實際測量需求，以及項目的設計標準做出更加細致的標注，構建三角網(wǎng)，繪制等高線，便可以生成地形掃描圖，導出為DWG文件。為后續(xù)項目建設提供參考[7]。

5.5"三維激光掃描技術的精度分析

項目的地形測量范圍內(nèi)，為確保地形圖能夠更加精確，選取5個監(jiān)測點，使用RTK技術與三維激光掃描的結果對比分析，對比結果如表1。

當監(jiān)測點的數(shù)值小于20，用誤差的計算平均值取代誤差，大于20后，直接用誤差值統(tǒng)計，本項目測量范圍的地形比例標準為：1∶2"000，結合平面誤差標準值不大于±1.6"m，高程誤差標準值不大于±0.67%，結合表1數(shù)據(jù)分析，本項目地形圖的精準度滿足標準需求，證明三維激光掃描設備在地形測量項目中的使用效果很好，精度可靠，值得被大范圍應用[8]。

6"結語

綜上所述，地形測量是目前項目建設實施中的關鍵一步、我國幅員遼闊，地勢多變，地形起伏趨勢很大，伴隨著建筑行業(yè)的不斷進展，高層建筑也在逐年增多?；谶@些原因，地形測量工作的難度也越來越大，應用三維激光掃描技術，能夠在盡量短的時間中獲取海量的三維空間參數(shù)，并且該技術操作便捷、可靠性高、具備實時性與智能性的優(yōu)勢，在地形測量項目中值得被廣泛應用。

參考文獻

[1] 李引生，荊海峰.三維激光掃描技術在濕地地形圖測繪中的應用[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：193-195，198.

[2] 王昌銳.三維激光掃描技術在礦山大比例尺地形圖測繪中的應用[J].工程技術研究，2020，5（11）：129-130.

[3] 崔紅超，賀小星，劉仁釗，等.Cyclone在數(shù)字校園三維激光點云數(shù)據(jù)預處理中的應用[J].北京測繪，2020，34（3）：343-346.

[4] 曹小朋，張勤.基于機載激光LiDAR技術的線狀工程測量[J].地礦測繪，2021，4（4）：78-80.

[5] 藺小虎.激光點云數(shù)據(jù)壓縮及曲面建模研究[D].西安：西安科技大學，2017.

[6] 楊林.三維激光掃描技術在建筑工程施工變形監(jiān)測中的應用研究[D].天津：天津大學，2018.

[7] CHOU"H"T，LEE"C"F，LO"C"M.The"Formation"and"Evolution"of"a"Coastal"Alluvial"Fan"in"Eastern"Taiwan"Caused"by"Rainfall-induced"Landslides[J].Landslides，2018，14（1）：1-14.

[8] 叢佳男，孫彤彤.大斷面點云數(shù)據(jù)提取的優(yōu)化方法研究[J].測繪與空間地理信息，2017（10）：149-153.