三維激光掃描技術(shù)及工程應(yīng)用范文

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【摘要】介紹了三維激光掃描技術(shù)的使用原理，就激光掃描設(shè)備的硬件裝置展開了詳細的分類，分析了三維激光掃描體系的誤差因素，借助三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)研究、城市模型構(gòu)建、文物維護等產(chǎn)業(yè)中的運用展開介紹研究，歸納三維激光掃描工藝的工程實用性質(zhì)以及其涵蓋的問題，并深入地研究了切實項目應(yīng)用的效益，提高了工作效率。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)；城市建模；文物保護

1三維激光掃描技術(shù)

1.1三維激光掃描原理

三維激光掃描其本質(zhì)就是針對目標(biāo)表面通過測算距離的形式來檢測其坐標(biāo)點的位置，檢驗得到的數(shù)據(jù)完全可以通過對應(yīng)的空間分辨率的點云圖來表述，其間隔的距離越短，點云圖所測得的數(shù)據(jù)信息就會愈加接近物品本身。三維激光掃描設(shè)備在檢測之時要求先建立以設(shè)備為中心坐標(biāo)系，X軸在橫向掃描界面中，Y軸在縱向掃描界面中與X軸維持1個垂直的狀態(tài)，Z軸與橫向以及縱向掃描界面保持垂直。

1.2三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描所得到的點云信息數(shù)據(jù)量較大、所包含的信息量較大、自動辨別困難等特征，要求對得到的數(shù)據(jù)信息展開配適、簡化以及擬合等處理。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的概念就是將在不同檢測站所得到的數(shù)據(jù)信息加入到同一個坐標(biāo)體系中，由于要取得同一目標(biāo)物體的左右信息數(shù)據(jù)，很多時候要求從條的角度進行量測。但三維激光掃描設(shè)備每次檢測得到的坐標(biāo)都包含在以監(jiān)測站為原點的坐標(biāo)體系中，因此，要求將這樣的一些坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)入到同一個坐標(biāo)體系中。最為常見的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)像是就是Besl所提出的最近點迭代算法，也就是ICP算法，很多學(xué)者針對ICP算法展開了不同層面上的改善。數(shù)據(jù)精簡就是把點云數(shù)據(jù)信息中那些無效的信息排除，由于三維激光設(shè)備在掃描的過程中執(zhí)行的是無差別掃描的形式，所以，會經(jīng)常掃描到很多無效信息，最為常見的形式就是規(guī)定對應(yīng)的閉值來去除噪聲點，Rogers以及Adams通過連續(xù)點間的弦長來當(dāng)作是簡化的規(guī)程，界定閡值后刪除變化率大的點；Lee、Woo與Suk以3個連續(xù)點的方向矢量之間的夾角來當(dāng)作是精簡的判定標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)擬合的概念就是依照其對應(yīng)的要求展開對于曲面、曲線以及平面的擬合，最常見形式主要是Choi所提出的配適凸表面擬合的相關(guān)算法，Obolnske以及Guld提出的依照離散點集表面重組的計算方法。點云信息在經(jīng)過處理后能開展對應(yīng)目標(biāo)物體的三維模型組建[1]。

2地面三維激光掃描系統(tǒng)的誤差分析

作為一種多傳感設(shè)備的集成體系，三維激光掃描體系的各個體系的構(gòu)成成分之間可以借助一定的軸系來保障整個體系的運作。在操作的環(huán)節(jié)中，使所取得的數(shù)據(jù)包含有誤差的原因主要是：1）軸系間的相互旋轉(zhuǎn)造成的測量距離以及其測角之間的誤差；2）掃描體系借助旋轉(zhuǎn)的棱鏡鏡面來放射激光束到達目標(biāo)物體的表層，所以鏡面的旋轉(zhuǎn)一樣會造成有一定的差異；3）為掃描體系提供的各種外設(shè)，譬如GPS或攝像裝備，這樣的以中國設(shè)備之間的束縛使最后的點石信息數(shù)據(jù)的精確度下降；4）針對有著絕對定向性能的激光掃描設(shè)備，測站點以及其后視點定位定向的精度都會出現(xiàn)有相關(guān)的影響，譬如，在掃描設(shè)備整平對中環(huán)節(jié)中，人為原因所產(chǎn)生的誤差同樣也是約束精確度的一個關(guān)鍵因素；5）掃描體系中內(nèi)置或外置的相機校驗誤差相對較大；6）外界環(huán)境，如溫度、氣壓的因素，實體反射特征等條件所產(chǎn)生的點石信息有誤。

3三維激光掃描系統(tǒng)在巖土工程中的應(yīng)用

本次搜集所采用的是LeicaP30超高速三維激光掃描裝置，搜集工作大致可以分成兩次開展，掃描了玻璃棧道區(qū)域以及深坑中的所有全部地形。

3.1高邊坡變形監(jiān)測

3.1.1三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用與邊坡變形勘測的優(yōu)勢邊坡形變檢驗是邊坡穩(wěn)固研究過程中最為關(guān)鍵的內(nèi)容。以往的邊坡穩(wěn)定性質(zhì)的檢驗形式是通過各種電學(xué)量的設(shè)備來進行量測，這樣的一些設(shè)備儀器搜集的信息有著單點、不連貫、傳輸間距有限等缺陷，并且數(shù)據(jù)處理裝置要求放置在勘測點周邊，有著較大的不便。三維激光掃描技術(shù)的深入與應(yīng)用，為邊坡形變勘測提供了一種全新的形式。其使用與邊坡形變勘測的優(yōu)勢主要是有以下幾點：1）短時間中取得測量區(qū)域中的不規(guī)則三維數(shù)據(jù)點云，一般取得1km區(qū)域中地形以及邊坡變形的信息≤1h。2）精準(zhǔn)度相對較大、區(qū)間范圍相對較廣。能在數(shù)百米的區(qū)域范圍之外，就取得被測物體相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并且其精準(zhǔn)的還控制在mm的范圍中。譬如LeicaP30掃描的區(qū)間范圍是1000m，但是平均誤差卻只有5mm。3）消耗的人力資源相對較少。只需1人就可以實現(xiàn)大范圍的地形勘測。4）有著計算體積以及依照數(shù)據(jù)點云產(chǎn)生三維滑裂面的性能，所以更加適用于三維形變研究，在三維條件下研究邊坡形變以及其破壞機理，判定其對應(yīng)的破壞體系[2]。以往的監(jiān)測技術(shù)只能借助測量點的信息，依照插值擬合構(gòu)成二維滑裂面，并且無法計算其對應(yīng)的滑檔面積與體積。

3.1.2三維激光掃描體系使用與邊坡變形勘測的局限性三維激光掃描體系使用與邊坡變形勘測上也有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個層面：1）受到植被的作用較大。因為三維激光掃描設(shè)備至可以用于獲取物體的表層的三維坐標(biāo)，當(dāng)邊坡表面被植物掩蓋時，可以通過對應(yīng)的過濾法進行計算，取得裸露的地表信息。2）無法進行實時的檢測。依照三維激光掃描儀的特征，可以將兩次檢測的信息展開疊加研究，依照兩次地形轉(zhuǎn)變來確立邊坡的形變以及其滑動的體積[3]。依照場地的地形以及其環(huán)境條件，為確保標(biāo)靶的辨別與銜接，把每個檢測站的直徑配置成為60m，兩個檢測站之間重疊區(qū)間是10m。為符合對現(xiàn)場地形角落的全面覆蓋，在切實掃描工作之時依照切實狀況就站點展開增設(shè)。一共創(chuàng)建了50個掃描點。

3.2巖石斷裂構(gòu)造調(diào)查

通過三維激光掃描設(shè)備還能針對巖石裂隙面進行勘測。在郊外，一般通過地質(zhì)羅盤裝置來檢驗巖石的產(chǎn)狀因素，大致的缺陷主要是有：費時費力；在高邊坡或相對惡劣的條件下，測量工作人員無法接近巖石表層，危及到勘測人員的生命安全；因為勘測人員本身素質(zhì)不同，其勘測的數(shù)據(jù)結(jié)果也存在有一定的誤差[4，5]。地面三維激光掃描技術(shù)的精確度誤差可以控制在5mm以，內(nèi)掃描點之間的間距≥1mm，掃描的區(qū)間達到了1km。所以,勘測人員只需在野外較為正平的區(qū)域架設(shè)三維激光掃描裝置，并對出露巖石表層展開測量，儲存掃描信息，之后在室內(nèi)展開節(jié)理、斷層的產(chǎn)狀要素研究工作，依照大量掃描信息提取得到的巖石裂隙組方向，并輸入到CAD測繪軟件中，能極大限度的提升高野外地質(zhì)勘測作業(yè)的效益以及其精準(zhǔn)度，降低人員受傷的概率。

4結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)工藝能迅速地取得空間均勻分布并且精準(zhǔn)度極高的點云三維空間數(shù)據(jù)信息，在重新組建古文物外觀架構(gòu)、土方量測算、地形勘測等層面有著相對較大的使用潛質(zhì)。但若依照不同的種類進行使用，要求構(gòu)建起對應(yīng)的模型化理念，所以會帶動很多新興的研究。三維激光掃描技術(shù)使用在邊坡相變勘測以及和巖石裂隙面檢測是其在巖土工程項目中新的運用方向。

【參考文獻】

【1】楊林.三維激光掃描技術(shù)在建筑工程施工變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué)，2016.

【2】董秀軍.三維激光掃描技術(shù)及其工程應(yīng)用研究[D].成都:成都理工大學(xué)，2007.

【3】王宜彬，鄭曦，佟玲，等.三維激光掃描技術(shù)在天津周大福金融中心工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017，46(23)：21-23.

【4】沈小威，賈爽.三維激光掃描技術(shù)在建筑工程質(zhì)量檢測過程中的應(yīng)用研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016（35）：153-154.

【5】臧偉，錢林，孫寶軍，等.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].北京測繪，2015（3）：130-135.

作者：蔡婷 單位：上海市民防地基勘察院有限公司