地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

韩雨微

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摘要：该文先对地面三维激光扫描技术的分类、使用原理以及应用优势进行简单说明，结合工程实例，落实项目实施前各项测绘准备工作后，分别从地形图测绘、土方量计算、道路竣工以及三维模型的建立4项测量作业，分析地面三维激光扫描技术的具体应用，以期充分发挥其技术性能优势与实际测量价值。

关键词：工程测量 ；地面三维激光扫描技术 ；地形图测绘 ；三维模型

引言

三维激光扫描技术诞生于 20 世纪 90 年代中期，是继GPS 空间定位系统之后，测绘领域的又一项重大技术突破。此种测量方式的主要特性为利用高速激光扫过测量区域，能够迅速、精确（高分辨率、大面积）地获得测量对象的三维坐标数据。以此为基础，能够在短时间内完成对目标测量事物的模型建设，进而制订出后续处理方案。总体而言，该技术实用性较强，具备一定价值。

1三维激光扫描技术的特性

1.1三维激光扫描技术的发展过程

三维激光扫描技术是测绘领域的一次重大技术革新，顾名思义，其中涉及“三维”和“激光”的概念。稍有工程测量常识的人都不会感到陌生，在该技术未出现之前，传统的工程测量中，经纬仪、全站仪是必不可少的设备，主要通过人工（借助设备）观察的方式，获取测量物体之间的位置关系。其中，经纬仪主要用于测量目标位置的水平及竖直角度，在现代工程实践中已经很少使用，替代的设备即为全站仪。而全站仪是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体的一种测绘仪器系统，是指向目标测量物发射激光，碰到物体之后会向系统传递一个反射信号。系统根据反射信号，会计算出激光传播距离、角度等数值，而相关信息便是测量参数。上文所述的全站仪工程测量原理类似于“蝙蝠依靠超声波辨别前方是否有障碍物”，但在测量精度方面早已超过仿生学的范畴。但依靠全站仪的测量限制在于全站仪只能每次测量某个点或某些点的信息，而不能把空间中的三维信息全部记录下来。为将“获得某个点的信息”转变为“获得空间全部三维信息”，科研人员不断尝试，最终成功研制出三维激光扫描技术。

1.2三维激光扫描技术的特征

三维激光扫描技术的原理实际上是全站仪的升级版，具体原理在于设备会向目标测量物发出激光，而该激光接触到物体之后，会同时向系统反馈一个蕴含接触位置信息的信号。该信号包含的内容有限，如果采用类比法进行“描述”时，可将之视为数学关系中“点、线、面、体”之中的“点”，即单一激光光束只会与被测量物体的某一个“点”接触，获得的信息自然是“点信息”。当一个原本固定的点开始“移动”之后，其运行轨迹便会形成“线”。以此类推，线移动便会生成面，面移动便会生成体。因此，如果用于测量的仪器能够持续性发出激光，按照一定顺序对目标测量物更

大范围的区域进行扫描。在此种模式下，激光扫描后传递至系统端的空间信息会以“点云”的形式被记录，而部分专用三维激光扫描仪的采集范围至少会达到 360°，最大扫描距离可达到 6000m。如果使用拼接技术，可进一步扩大激光扫描范围，真正实现“所见即所得”。不仅如此，现代三维激光扫描技术应用于工程测量时还具备以下特点：首先，可通过连接端口与影像设备相连接，进而获得测量物体实际影像信息；其次，获取“点云”、影像数据之后，经过后期处理，可在短时间内完成对结构复杂、相对不规则、十分不规则场景的二维平面图纸、三维可视化模型及正射影像的建立。正是因为具备上述超强的三维建模及虚拟重现能力，三维激光扫描测量技术已经成为当前科研及商用领域的热点项目。目前，市面上有关三维激光扫描设备搭载的平台众多，如地面定点激光扫描器、车载激光扫描器、无人机机载激光扫描器等，均得到了广泛应用。文章介绍一种适用于绝大多数场景（考古、建筑工程、数字工厂、数字城市、船舶服务、影视制作、容器计量等）的地面三维激光扫描仪，名称型号为 FARO®FocusS，扫描范围为 0.6 ～ 350m ；HDR 照片记录可选择 2X/3X/5X ；测量速度高达 976000 点 /s ；测距误差为 ±1mm ；防护等级为 IP54级；测角精度为垂直 / 水平角 19arcsec ；内置高达 1.65 亿像素的彩色相机；激光等级为 1 级。应用该设备进行工程测量时，只需快速、直接、精确地测量复杂的对象和建筑物。设备自带的直观触摸屏在大小和清晰度上都能为用户提供非凡的体验。不仅如此，在极端的光照条件下，超过 1 亿像素的 HDR 相机可以很容易地捕获清晰的图像，同时提供

带有彩色的扫描数据。

2地面三维激光扫描技术的应用优势

2.1直观性较强

扫描技术能够同 GPS 技术一起使用，并以空间三维坐标完成测量数据的收集与运算，依托于点云数据的收集功能，定位各点的具体位置，以此为基础，直观地将空间模型展示出来。传统工程测量技术获取的点位密度低、地形特征表示不明显，难以实现空间建模。但三维激光扫描技术能够准确且完整地收集空间三维数据，并在空间中进一步向周围延伸，为测量人员提供更为直观的视觉效果。

2.2 数据采集效率高

数据采集效率高是扫描技术的另一个优势，该类测量技术可以采集云数据，在收集过程中，其速度可以达到每秒几千甚至是几万点，这一优势是传统测量技术无法比拟的。数据测量是工程测量作业中最为关键且重要的一项测量环节，而数据的准确性直接决定了工程后期的测量与施工，通过应用三维激光扫描技术能够减少测量误差，同时还能实现数据的全面采集，以保证每个测量点都是在大

量数据运算后得到的，既保证了测量结果的精准性与全面性，还极大程度地提高了数据采集的效率。

2.3 分辨率和精准度较高

地面三维激光扫描技术能够以最快的速度采集三维数据，还可以达到非接触数据收集的目的，具有较高的分辨率，这一优势的存在为数据的精确性提供保障。三维激光扫描技术可以还原物体，并在激光扫描的作用下精准定位到测量点，借助各点将物体的位置进行构建与还原，由此可见，该项测量技术的分辨率较高。

3地面三维激光扫描技术在工程测量中的实践应用分析

3.1在市政路桥等交通工程中的应用

基于交通工程较强的复杂度，在进行工程测量时应采用地面三维激光扫描技术，只有利用该项测量技术才能保证地面测量数据的精准度。具体来看，在应用三维激光扫描技术的过程中，通过对地面的科学扫描可快速、准确地发现道路中具体的地面信息数据，再加上对该区域实地环境的针对性考察，可最大化保障交通工程的实施与开展，及时缩减其可能出现的施工缺陷与对应性漏洞，合理控制该项目总体的施工成本，全面增强该施工方案的执行力度，保障道路施工的整体效率与经济适用性。我国当前的城市环境正处在不断变化与发展中，其内部的城市交通也变得较为复杂，且城市空间内部的线网、地下管道存有较高的复杂度，在测绘城市交通工程的过程中，若使用三维激光扫描技术可有效了解与掌握当前城市具体的交通情况，为此后的交通项目建设带去较为完整的数据信息资料。

结语

综上所述，三维激光扫描技术应用于工程测量时，主要原理为使用仪器设备发出激光，接触测量物的某个点位之后，激光受强度设置的影响会迅速消散。与此同时，与该接触点位有关的位置信息会实时传递至激光发射设备自带的系统中。若要将“点信息”进一步发展为“线信息”“面信息”或“体信息”，可通过连续发射激光的方式加以实现。最终，将多种信息进行整合，即可获得目标测量物的三维空间信息，使其精确度得到保证。

参考文献

[1] 袁丰波，孙攀，张少伟 . 地面三维激光扫描技术在工程

测量中的应用 [J]. 住宅与房地产，2020（24）：215.

[2] 董梁 . 试析地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

[J]. 农家参谋，2020（4）：194.