地面三维激光扫描技术在其他领域中的应用

b.为设备工程师提供了设备管理，更新维护的新思路，
Baidu Nhomakorabea
目前，设备工程师对设备的管理和更新维护局限在图纸 资料，平面操作图以及现场查询，增加装置三维立体图 的应用，使设备工程师能更有效的，更精确的使用和维 护设备。利用装置三维立体图，设备工程师能在计算机 中灵活查询管线，反应塔，阀门，仪器设备的形状，数 量，尺寸及分布，直到每一个弯头的走向，并可以在计 算机中完成管线，弯头，仪器设备的更换与设计，避免 了更换，设计中容易忽略的要素，使其尺寸，形状更符 合要求，并大大的减小了劳动强度。 c.为安全管理员展示一幅数字化工厂安全管理图。利用 三维立体装置图可以全面掌握、浏览安全防护设备的安 放点，一旦确定危险源或事故隐患发生险情，能够显示 危险源和事故隐患点周边环境，实时显示撤离通道，消 防通道，安全通道，救援通道等信息，从而及时快速的 全面掌握装置的各种安全因素，提高安全管理水平。
C.分析岩层与煤矿层高度。在黑岱沟煤矿中，利用
Leica HDS8800三维激光扫描仪对开采面精细扫描， 采样密度为10mm/100m。在点云数据的基础上，将 Leica HDS8800扫描仪内置7000万像素相机拍摄的照 片附加在点云数据或者三维模型上面，可以清晰地分 辨岩层，同时基于数据获取各层的标高及差值，方便 采矿人员的设计，叠加照片的三维数据如图10。在附 加彩色信息的点云数据或模型的基础上，利用软件获 取各层面的走势图，如图11。利用Leica HDS8800针对 露天矿的外业数据采集，360°获取空间点云数据， 能够提高外业数据采集效率，提升内业数据处理精度。 同时，丰富的数据不单为测量提供了可靠保证，更为 矿山数字化、采矿设计、爆破提供了准确有效地三维 实景。在如此精确的三维模型上，可以让不同专业的 人士得到不同的需求。
地面三维激光扫描技术的主要应用领域有传统测绘、
文物保护、地质工程，在前面章节已经做了比较详细 的阐述。地面三维激光扫描技术应用广泛，在矿业、 林业、石化、数字城市、厂区土地规划、海洋工程领 域也得到了一些应用。
一、在矿业领域中的应用

A.应用现状研究 1.主要应用方向有： a.露天矿三维模型重构与测量 b.井架变形监测 c.开采沉陷监测 d.建设用地复垦监测 e.煤（石千）石山难及区域测绘 f.滑坡体监测 g.地下采空区变形监测 h.数字矿山
徕卡测量系统贸易公司与南京林业大学研究人员共同
合作，利用徕卡C10 扫描仪对南京林业大学试验林进 行扫描，利用Leica Cyclone 软件对数据进行提取、 整理、计算。主要技术过程如下： 1.扫描前准备工作。对要进行扫描试验林进行踏勘， 确定进行扫描的测站位置、所需的测站数、扫描的路 线以及标靶安放的位置。 2.扫描过程。利用Leica C10进行机载控制，直接对实 验林点云数据进行获取。操作过程中采用中等扫描密 度（100m处点间距为1cm X 1cm）进行扫描，并利用 扫描仪内置数码相机进行拍照，为室内研究提供更多 可能用到的数据。 3.数据预处理。利用徕卡提供的Cyclone软件进行内业 数据的拼接及信息的提取。将四站数据合为一体将会 得到实验林的完整数据。此次研究，要求精度较高， 而且要求速度要快，所以选择了标靶拼接这种模式。
设备管线排布复杂等诸多特点。采用传统方法进行这样的 大场景扫描时，往往会造成较大的累积误差，使用扫描加 控制网的方法可以解决此类难题。即在扫描区域内布设3 个或3个以上标靶，通过全站仪取得这些标靶的坐标，然 后通过控制网将所有的单站扫描结果拼接在一起最终形成 了完整的扫描场景。 2。应用方向简介。石化企业中设备错综复杂，管道纵横 交错，要管理的对象在空间上密集排列，通过二维符号或 线条描述方式已显得束手无策，而三维激光扫描技术可以 快速、准确便捷的获取石化装置的实物（设备、管网、框 架）的三维空间信息，在石化企业具有广阔的应用前景。
B.树林中单株树木位置信息的提取。此次测量没有将
坐标系统引入到已知大地坐标系统中去，所以此次得 出单株树木位置坐标也只是在测量时使用的假定坐标 系统中，但这都不会对计算过程产生影响。 先确定 进行单株树木位置信息提取的区域，对所选取区域点 云数据进行去噪处理，得到比较完整的点云。再根据 点云确定一个最接近地面的水平参考面，如果要求的 范围误差较大，我们可以对整个区域的树木确定一个 水平参考，如果要求的精度高，我们就需要对单株树 木确定参考面的位置，以前一种情况为例，根据点云 可以找到一个最切合四株树木的参考面位置，如图14。 以水平参考面为基准做厚度为0.1cm的切片，得到了 四株树木参考面处的切片点云，根据点云做最佳拟合， 得到四个圆，找到每个圆圈的圆心位置并创建圆心点， 并标记每个圆心的平面坐标，如图15。
目前国内的石化企业，对这些管架和各类线路的管理
A.装置设备管理。 在石油化工企业中，高耸的炼塔是加工化工原料、提
炼各种产品的主要设备，是企业工作生产的灵魂。利 用三维激光采集技术，实现石化装置的而各种设备的 空间信息（X、Y、Z）和属性信息（基本参数、运行 参数、检维修参数等）的地理信息系统动态管理，直 观的显示现场场景、真实的空间和属性数据，使管理 人员既能直观的观察现场情况，又可以掌握各类属性 信息，石化装置三维模型如附图16。 a.为操作员提供了装置现场环境的空间视觉真实感受。 目前操作员岗位学习局限在书本、图纸资料、现场培 训，增加装置三维立体图的学习和应用，通过实物的 三维空视图可以更加直观、方便、快捷的了解掌握装 置的工艺流程，从而提高了操作员岗位培训的实效性。
维模型生成之后，可以提取断面线，如图4。等高线， 如图5。以及露天矿中开采台阶的边帮坡顶、坡底线， 如图6。同时可以在三维模型中任意获取台阶坡面角、 台阶高度、台阶宽度、方便采矿专业设计。在三维模 型中可以任意计算开采量，用于设计产量和核算产量。 B.产量核算。在霍林河露天矿中，利用Leica HDS8800三维激光扫描仪对电铲的工作量进行核算， 方法如下：首先将Leica HDS8800三维激光扫描仪架 设在电铲工作台阶之上的台阶，当电铲开采之后装入 运煤车的前后对运煤车进行扫描，即对空车进行扫描， 如图7。然后电铲装车之后再次扫描，如图8。每次扫 描时间不到半分钟，最后利用点云数据迅速建模，两 次不规则曲面的差值便为装载数，如图9。
综上，利用三维激光扫描仪进行林业调查，在外业扫
描工作中节省了大量的人力、物力，减少了外业作业 时间，减轻了劳动强度。在内业工作中可以根据真实 的三维坐标对单株树木进行胸径、树高以及位置信息 提取，大量点云数据保证了数据的全面性，以及成果 的准确性。
三、在石化领域的应用
1.应用研究现状。石化企业具有现场占地面积大，装置高，
4.研究数据提取。对拼接完成的数据进行去噪处理，提取



需要进行研究的区域。 A.胸径、树高提取。从树林扫描数据中任意分割提取有限 株单独树木，首先进行人工去噪处理，然后就可以利用 Cyclone中的Survey模块对单株树木进行胸径、树高以及 树冠投影到地面上的面积等进行提取。提取过程： a.分割出一部分点云数据，保证点云里必须包含至少一株 完整的树木信息。 b.进行人工去噪处理。因为点云显示是空间的，所以在 Cyclone中我们可以进行任意角度的旋转查看，通过不断 的变换视角，进行点云去噪，可以方便准确的得到我们所 需要的单株树木的点云数据。 c.胸径的提取。胸径是指在树木（林业上称为样木）的 1.3m处量其直径。根据定义我们可以通过点云查看数据与 地面接触的位置，从而确定一个最为合适的基准点来确定 胸径的位置。以基准点所在水平面为基准建立水平参考面， 如图12。
二、在林业领域的应用
1.应用研究现状。 目前，国外许多林业科研工作者就三维激光扫描技术
在林业方面的应用进行了深入探讨。研究内容主要集 中在测树因子的获取。林分结构研究以及单木三维重 建等方面，并获得了不同程度的成功。 与国外相比， 地面三维激光扫描仪技术在我国林业领域的应用相对 较少，目前仅局限于基本测树因子获取和单木三维重 构两个方面，主要原因：一是三维激光扫描系统属于 高精密度仪器，成本高昂，目前仅在少数研究项目中 使用，并未在林业调查部门普及；二是该技术在数字 林业建设中的应用前景还没得到足够重视，缺少必要 的尝试。
在Z轴正方向按照1.3m的间距对水平参考面进行偏移，
就得到了胸径的位置所在。以水平参考面为基准做厚 度为0.1cm的切片，根据点云做最佳拟合，得到胸径的 值=0.180 X 2=0.36 m。d.树高的提取。在Modelspace 窗口中的视图模式中选择“正射视图”，在主视图中 找到树木的最高点，以最高点位基准建立参考平面。 利用Cyclone提供的量测功能就可以得到基准点到最高 点所在参考面的高度，如图13。
2.林业测量应用实例。 传统方法获取林分因子是通过皮尺或者钢尺量测树干
的周长，利用林分速测镜量取树木的高度及任意位置 处的直径，这样的方法不仅使外业测量速度慢，还增 加了工作人员的劳动强度，而且在进行树木高度测量 时受外界环境影响很大。最重要的是外业测量数据获 取的精度并不高，影响了整体林业蓄积量调查的精度。 地面三维激光扫描技术作为一种高新科技，在森林资 源调查、林分结构研究、单木三维结构建模等方面有 着巨大的应用潜力。一方面，其作为一种能快速，有 效获取测树因子的新方法，在丰富现有林业资源调查 手段同时，还拓展了测树空间；另一方面，该技术能 对反映林分实时、动态变化的树冠特征以及林分结构 等信息进行有效捕捉，并能提供高分辨率的三维点云 影像图，进而有助于我们建构精准的单木三维模型。
2.露天矿应用实例 1）.数据采集及数据处理。采用Leica HDS8800 三
维激光扫描仪采集数据，三维激光扫描数据采集及处 理流程： A.外业采集数据。Leica HDS8800可以结合GPS作业， GPS获取测站及后视点坐标之后，HDS8800控制器及 时地将大地坐标系纳入扫描数据，这样可以提高工作 效率，避免控制点的重复测量。同时，Leica HDS8800具有2000米测程，以及全景扫描视场角度， 可以在测站的位置上获取最大的数据。 B.点云数据拼接。Leica HDS8800标配软件I-Site Studio，软件可以提供坐标拼接、点云拼接等工作。 如果在扫描数据的同时结合GPS测量点位，那么扫描 的数据直接就是在大地坐标系内，哈尔乌素露天矿原 始点云数据如图1所示。
B.管网系统管理。 石化企业的管道与市政管线或其他行业厂区管线相比，
具有以下特点： a.管线种类繁多，特性各异。石化的物料管道按照用途 可分为蒸汽，氦气，氨气，汽油，重油，火炬气，乙烯 等70多种。有的还有伴热管和覆盖层。 b.管线多在地面以上的周边架设了各类支撑结构。石化 企业的物料管道一般都在空中架设，离地面5米以上， 沿线必须有管架，弦，斜撑，横梁等共同伴随支撑。 c.管线重叠覆盖，缠绕交错，空间关系复杂。支撑管道 的管架一般分为2至5层，在管架上架设的管道也是分层 的，在某一层次上，不同类型的管道并列排布，从俯视 的角度来看，管道的平面图是重叠的。很多管道并不是 始终处在一层，而是上下转折的，在层间起伏，有的管 道中途转向，从而形成管道复杂的缠绕。石化企业管网 现场如图17。
C.点云数据建模，生成DEM。在拼接好的点云数据基
础上，利用软件进行噪音数据取出，软件提供了多种 噪音过滤器，包括有距离过滤、角度过滤、面过滤、 离散点过滤、边缘过滤等。剔除噪音数据经过抽吸处 理后，如图2。再利用软件对数据进行快速建模，生成 DEM，并获得露天矿三维模型，如图3。
2）.三维模型在矿业中的应用。 A.等高线、断面线、坡顶线、坡底线等的提取。在三