摘要：快速、準(zhǔn)確、有效地獲取空間三維信息，是許多學(xué)者深入研究的課題。隨著信息技術(shù)研究的深入及數(shù)字地球、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，尤其在當(dāng)今以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托的信息時(shí)代，人們對(duì)空間三維信息的需求更加迫切。三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)高新技術(shù)，是一種利用激光測(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。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，既省時(shí)又省力。

　　關(guān)鍵字：三維激光掃描儀,城市基礎(chǔ)設(shè)施,地鐵隧道變形,公路大修工程

　　1.三維激光掃描儀的概念

　　三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。三維激光掃描儀通過(guò)高速激光發(fā)射器運(yùn)用激光測(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。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)。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)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。

　　2.三維激光掃描儀作業(yè)流程

　　三維激光掃描作業(yè)流程主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分。

　　2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

　　外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括標(biāo)靶及控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量和數(shù)據(jù)全景掃描兩部分工作，控制測(cè)量包括平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量，數(shù)據(jù)掃描包括三維激光掃描和標(biāo)靶三維坐標(biāo)測(cè)量。

　　2.1.1標(biāo)靶與控制點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

　　在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于三維激光掃描儀的測(cè)程是有限的，同時(shí)掃描儀與被掃描目標(biāo)所形成的夾角不同的情況下的空間分辨率是不一樣的，夾角越小，分辨率越低;對(duì)于不同的掃描距離，點(diǎn)的精度也不同;另外還存在有障礙物不能通視的情況，因此通常一條道路的測(cè)量工作需要在很多測(cè)站來(lái)完成。那么不同測(cè)站的測(cè)量數(shù)據(jù)如何拼接到一起，就需要標(biāo)靶來(lái)完成，因此根據(jù)掃描儀測(cè)程，需要在各相鄰測(cè)站重合的位置布設(shè)3個(gè)以上形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，以供點(diǎn)云拼接需要。

　　2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

　　外業(yè)掃描到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，既包含有用的數(shù)據(jù)，也包含車輛、行人、樹葉等等無(wú)用的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)量龐大的點(diǎn)云必須要經(jīng)過(guò)處理才能被利用。

　　2.2.1數(shù)據(jù)濾波、抽隙

　　外業(yè)數(shù)據(jù)采集的無(wú)用數(shù)據(jù)，也稱作噪聲數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)剔除的過(guò)程叫做數(shù)據(jù)濾波。如果采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或者局部數(shù)據(jù)相對(duì)于工程本身過(guò)于密集，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽隙處理，這種方式也稱作去云。

　　2.2.2點(diǎn)云拼接

　　把從各個(gè)測(cè)站上掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置在測(cè)站重疊處不規(guī)則的標(biāo)靶擬合而拼接在一起，這個(gè)過(guò)程叫做點(diǎn)云拼接。利用已經(jīng)布設(shè)、測(cè)量過(guò)的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，將拼接后的點(diǎn)云納入到我們所使用的平面直角坐標(biāo)系中。

　　2.2.3平面虛擬測(cè)量

　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由大量三維信息的點(diǎn)位組成，還需要結(jié)合由CCD相機(jī)所拍攝的真彩色影像，前者保證了表面模型的數(shù)據(jù)(DSM)，而影像數(shù)據(jù)則保證了邊緣(Edges)和角落(Corner)的信息完整和準(zhǔn)確。

　　2.2.4建立DEM模型，生成等高線、縱橫斷面圖

　　經(jīng)過(guò)處理了的點(diǎn)云是由高密度的三維離散點(diǎn)陣組成，將這些空間點(diǎn)利用軟件平臺(tái)生成連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，進(jìn)而生成等高線，并且可以根據(jù)需要設(shè)置等高線間距。將帶有樁號(hào)的設(shè)計(jì)中線插入到固定坐標(biāo)系中的TIN模型當(dāng)中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的中線斷面間距及每個(gè)橫斷面寬度，即可生成所需要的任意縱橫斷面圖。

　　3.三維激光掃描儀在城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管中的應(yīng)用

　　3.1三維激光掃描儀在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　地鐵隧道收斂變形，是指地鐵隧道在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，由于受到地面、周邊建筑物負(fù)載及土體擾動(dòng)、隧道周邊工程施工及隧道工程結(jié)構(gòu)施工、地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)等，對(duì)隧道產(chǎn)生綜合影響而造成的隧道變形。地鐵隧道收斂變形量必須保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，否則需要采取措施，防止災(zāi)難事故發(fā)生。

　　3.1.1三維 3.1.2三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的基本思路

　　3.1.2.1數(shù)據(jù)采集

　　設(shè)計(jì)導(dǎo)線與水準(zhǔn)測(cè)量方案，根據(jù)激光掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證具有一定的掃描重疊度;隧道內(nèi)導(dǎo)線及水準(zhǔn)測(cè)量，傳遞三維坐標(biāo);同步進(jìn)行隧道三維激光掃描，獲得隧道管壁三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲得標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　3.1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　標(biāo)靶三維坐標(biāo)計(jì)算：通過(guò)導(dǎo)線及水準(zhǔn)測(cè)量成果，計(jì)算標(biāo)靶的三維坐標(biāo)。

　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)歸算：根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系統(tǒng)。

　　剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，剔除管壁外的噪音數(shù)據(jù)。

　　提取必要的管壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)：由于掃描角度、距離等因素，管壁點(diǎn)云密度并不均勻，站附近的點(diǎn)密度大。為便于下一步處理，去掉點(diǎn)密度大的區(qū)域中不必要的大量冗余點(diǎn)，按照一定的密度提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度。

　　3.1.2.3三維模型建立

　　根據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地鐵隧道內(nèi)壁三維模型。

　　3.1.2.4成果輸出

　　按照地鐵隧道收斂變形測(cè)量要求，對(duì)指定管片截取三維模型斷面，對(duì)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行高次樣條曲線擬合，與設(shè)計(jì)斷面理論值比較，求出管片一周的變化量曲線，并輸出特征點(diǎn)的變形量差值。輸出每管片一周收斂變形報(bào)告。

　　3.1.2.5成果管理

　　成果管理是指對(duì)大量的斷面數(shù)據(jù)及多次測(cè)量成果進(jìn)行有效管理。為了提高管理效率，建立地鐵隧道收斂測(cè)量成果管理系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理每個(gè)管片測(cè)量成果，同時(shí)建立成果瀏覽與分析系統(tǒng)。

　　3.2三維激光掃描儀在高速公路大修工程中的應(yīng)用

　　高速公路使用年限較長(zhǎng)，出現(xiàn)開裂、破損現(xiàn)象。為使地形圖能準(zhǔn)確反映道路現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)要求每10米測(cè)量一組高程，然后提供中央隔離帶兩側(cè)路面上的兩條縱斷面圖形，并且分別提供每10米一組橫斷面圖形。由于道路正在使用，車流量較大，車速快。為不影響交通，測(cè)量作業(yè)過(guò)程中車輛不能斷流。常規(guī)測(cè)量需上路測(cè)量，穿行在高速公路，測(cè)量大量高程點(diǎn)，存在有很大的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到風(fēng)險(xiǎn)的存在以及工作量極大，利用三維激光掃描儀進(jìn)行作業(yè)。

　　沿高速公路最外側(cè)緊急停車帶設(shè)立測(cè)站，對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行掃描，利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。拼接后的部分點(diǎn)云見圖1、圖2。

　　利用傳統(tǒng)測(cè)量方式——符合水準(zhǔn)線路測(cè)量了82個(gè)相同位置的點(diǎn)位高程，與三維激光掃描成果進(jìn)行比較，其中誤差 為0.011m。

　　然后將抽隙了的數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件生成TIN三角網(wǎng)模型，插入道路中心，即可生成設(shè)計(jì)所需要的縱橫斷面圖形。如下圖：

　　道路大修工程除了需測(cè)繪大比例尺現(xiàn)狀地形圖及縱橫斷面測(cè)量以外，還有一個(gè)特點(diǎn)就是對(duì)地面上所有交通設(shè)施，例如各類交通標(biāo)志牌、紅綠燈、公交車站、道路上所有護(hù)欄，甚至要求對(duì)行車道上的分道線、車轍、隔離帶上鋪裝范圍及種類、各類管線檢查井蓋位置、尺寸及高程都要準(zhǔn)確地在地形圖中表示出來(lái)。為準(zhǔn)確確定加鋪量，設(shè)計(jì)人對(duì)圖面高程密度要求很高，利用傳統(tǒng)的野外地形數(shù)據(jù)采集手段，測(cè)量員的工作量會(huì)很大，太多的地物點(diǎn)容易丟漏，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)問(wèn)題，另外由于道路上車輛較多，作業(yè)員上路作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)很大。所以我們利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量可以幫助我們節(jié)省大量時(shí)間及人力。

　　4.結(jié)論

　　三維激光掃描儀作為測(cè)繪科學(xué)的領(lǐng)先產(chǎn)品，具有鮮明的優(yōu)勢(shì)，廣泛的應(yīng)用。從整體看來(lái)，三維激光掃描儀基本涵蓋測(cè)繪的各個(gè)領(lǐng)域，具備大面積，高自動(dòng)化，高速率，高精度測(cè)量的特點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)是一個(gè)新生事物，其技術(shù)上還有很多地方需要改進(jìn)和提高：受到安全激光功率的局限，掃描距離和范圍有限;特定材料對(duì)激光光源反射不夠敏感造成掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)盲區(qū);掃描激光光斑隨距離的增加而變大，造成掃描結(jié)果中物體邊緣細(xì)節(jié)難以識(shí)別;因此三維處理軟件功能有待進(jìn)一步完善。總的來(lái)說(shuō)，三維激光掃描儀具有較廣的應(yīng)用前景，有一定的研究?jī)r(jià)值。

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