激光扫描测量系统的应用研究

图!
坐标示意图
!
堆体体积测量的方法
由于激光测量采集的数据密度大， 在进行堆体
假设某一个断面采集了 * 个数据点， 当对一个 点" （ 进行滤波时， 先根据不同的测量 &)&#） ) （* %# ） 环境选定参数值 （ 。求出 ") ! ! 值一般为 # 到 ’ 之间） 及两边相邻的各 ! 个点 ")+!、 …… ")+#、……、 "!"#、 "),"、 ……、 ……、 "),! 到激光器 "" 的距离 -)+!、 -)%!、 -)、 -)(!、 对 -)， 其权值设定为 #!， 余 -),!。再对距离设定权值， 下的 -. 权值设为 !。并根据激光测量进行的环境 不同， 将滤波阈值设定为 / ， 则有如下公式：
东西湖的新沟电厂。 该电厂有一个干煤棚和一个露
表%
扫描次序 有效点数
行堆体体积的监测是一种高效率、 高精度的新方 法。它在以下方面具有传统测量方法不可比拟的 优越性： 也可在十分钟 !）速度快。即使对于大型煤场， 完成作业； 劳动强度低。外业采集的数 %）自动化程度高， 据均由计算机自动计算， !0% 人即可完成测量工作 并显示最终结果；
,）成果输出模块 本模块的功能完成系统的成
果输出。最终成果以报表的形式提供给用户， 主要 内容有： 堆体现有体积， 体积变化量， 体积报表输 出， 统计报表生成等。
图,
系统主界面
’*%’
测
绘
工
程
第 !" 卷
#
实验
激光扫描测量系统已成功应用在位于武汉市
*
结论
根据应用研究表明， 利用激光扫描测量系统进
实验结果比较
体积 （&1） 储量 （=） 较差
! %
!)$Z"# !))%"$
;
天煤场。露天煤场旁有卸煤机及其运行轨道； 干煤 棚内有行车及其轨道。 我们采用激光扫描测量系统 测定干煤棚煤场院体积。干煤棚长约 $% &，宽有 激光扫描器随 %# &。测量时以行车作为运动平台， 行车运动而对煤体连续扫描。
系统软件进行一系列处理， 获取目标表面三维坐标 数据， 从而进行各种量算或建立立体模型。 在实际测量过程中， 将激光测量系统搭载到固 定平台上，从而使外方位元素中的角度参数及 ! " 和 #" 均为定值（#" 为底面至扫描器中心的距离） ， 可在激光测量系统安装时一次性测定， 简化测量和 计算过程； 外方 位 元 素 $（由 速度传感器确定） 、 " " 和 ! 为变量。如图 ! 所示。
・ ・ ! -) !/ *!-. (!-+ (# /% ) )+! -) % .0)! ,! 如果 -) 满足 （!） 式， 就滤去 ") 点。
（!）
以一个个断面的形式进行的， 因此对原始数据进行 滤波也按照每个断面进行， 如图 # 所示。连续的激 光测量中， 在很小的时间段 %& 中， 测量的断面可近 似为直线 ’ (。从每个断面采集数据点的第 ) 个点 开始进行线性滤波。
"
（$ ） 当断面间隔相等 !!()&"! * ） 且断面内点距相等 （"!+） 时， 计算体积的精度为 ・ &,) ’ (&") ’ (!+ ! *・ "! !
!）工程管理模块 本模块的功能实现激光测量
的工程管理。 （* ）
"&"
!
&）数据采集模块 本模块的功能主要是实时获
取激光测量的原始数据。内容包括： 计算机与激光 扫描器的通讯， 计算机与相关传感器的通讯， 原始 数据的存储。
#
引言
激光扫描测量技术是迅速发展起来的一项高
日本东京大学 *%%% 年进行了地面固定激光扫描系 统的集成与实验， 取得了良好效果， 该大学正在着 手开展较大规模的研究工作。此外， 一些商业公司 已推出了机载测量系统和地面测量系统， 如： 瑞典 的 N>9QC: 机载系统，美国 3C;1 公司、法国 R4:A= 公司的小型地面系统等。 武汉测绘科技大学地球空间信息技术研究组 采用了这一高新技术，并与现代测绘理论相结合， 成功开发了激光扫描测量系统，专门用于快速、 高 效地解决传统测绘方法不能很好解决的堆体变化 监测的问题 （如： 电厂的煤堆变化监测） 。并通过对 激光扫描测量在电厂的煤场体积的变化监测中的 成功应用， 展示了激光扫描测量技术在堆体变化监 测中的广阔应用前景。并且， 该技术与其他技术结 合， 可以广泛应用于城市规划、 智能交通、 工程建 设、 减灾防灾等领域。
,)- 和 ./0123 为开发平台开发。系统总体结构图 如图 4。
图"
#$% 模型断面图
工程管理
数据库管理
对于相互平行、 间距为 ! 的 " 个断面， 其体积可类 似上述计算， 由 （& ） 式求出：
数据采集
报表输出
$ ($ $ ($ $ ($ # ’ ! & !!!& ( & " !!&" (…( "%! " !!"%!， " & & & （"）
当 ") 位于两边界时， （"-)-# 或 （*%#） -)-* 时） 这时就取 ") 左边或右边相邻的 #! 个点， 按 （! ） 式类 推。
#$# 堆体体积测量的计算
对数据滤波处理以后 . 就可以对其进行不规则 三角网 （/01） 的构建， 生成 234 数据， 这样就可以 根据生 成 的 234 模 型 进 行 堆 体 体 积 的 计 算 以 及 堆体三维透视景观图的生成。 由 234 模 型 可 以 很 方 便 地 获 得 所 需 要 任 一 方向上的剖面图。它是以一定的间隔 "#)$ 处的断 面的地面高度 #) 来表示的 （如图 # ） 。 剖面面积可以 计算：
最后可以求出堆体的储量为 （,） （.）（/） 堆体储量 （+） "堆体体积 -堆体密度
&)" 储量变化的统计
一次激光扫描测量工程可以很快的完成， 但是 由于扫描测量的数据量大，出于数据安全性的考 虑， 以及便于系统对数据的管理和不同时期工程成 果的分析， 在系统中加入数据库进行系统的管理。 在系统中加入数据库的管理后， 对于工程的管 理采用在数据库中设计 “工程名” 字段， 对应测量的 工程名。而对工程的测量时间管理则设计为 “测量 时间” 的字段， 该字段对应相应的 “工程名” 字段。 对 于一次测量成果—— —堆体体积， 在数据库中设计相 应的 “堆体体积” 字段。根据不同的堆体类型， 设计 “堆体密度” 字段记录。 对于生成的 #$% 的数据是 以数据文件形式管理的。 在 数 据 库 中 设 计 “#$% 文件名” 字段， 对应相应的工程。 对于堆体储量变化 的统计是通过数据库对一定时期工程的成果进行 分析得出的。 根据以上的设计生成了数据库关系表， 结构如 表 !。
1）精度高。激光雷达扫描所获取的数据量大，
数据点密度高， 完全能够反映堆体表面特征， 从而 可以相当精确地计算堆体体积。 激光扫描测量系统 解决了常规测量方法不易解决的表面近似误差。 固定投资少。硬件设备可广泛用 #）通用性强， 于各种规模的煤场体积自动测量， 在电力、 煤炭等 行业中有着巨大的运用前景。 参考文献
!""#$%&’$() *+,+&-%. () /&,+-01%&))$)2 13-4+5$)2 15,’+6
!"#$ %&’() *+ ,&’(-./0’) *+ 1&-2/’ !"#$%& ’()$&*)%+ ,&*-(./*01 23 4#.-(1*&5 %&6 7%88*&5- ./012 !"##$%- 304215 !7,’-&%’8 62 7048 919:;- 70: 9;42<49=: >? =18:;@8<12242A 8/;B:C42A 48 427;>D/<:D( ) 2:E F:70>D 7017 <12 G: /8:D 7> H/4<I=C <>F9/7: 70: B>=/F: >? 871<I G18:D >2 70: =18:;@8<12242A 8/;B:C42A 8C87:F 48 9;>@ 9>8:D 12D 8>F: <>2<=/84>28 12D 9;>F4842A 9;>89:<78 1;: A4B:2( 9+5 :(-;,8 J18:;@K<12242AL K/;B:C42A 8C87:FL M171@?4=7:;42AL N0;::@D4F:284>21= ;:G/4=D42A
*%%O 年进行了机 载 激 光 扫 描 系 统 的 集 成 与 实 验 ， 通过对所购得的激光扫描器与 P&K 和数据通讯设
备的集成， 实现了一个机载激光扫描三维数据获取 系统， 并进行了一定规模的实验， 取得了理想效果；
收稿日期： ’###,#%,*#
*
激光扫描测量的原理
基金项目： 武汉市晨光计划项目资助 （%%Z##*!*#! ） ； 国家测绘局科技发展基金项目资助 （%O#** ） 。 作者简介： 陈静 [*%$Z\5， 男， 武汉测绘科技大学硕士研究生。
第 *# 卷 第 * 期
测 绘 工 程