三维激光扫描仪在地形测量中运用

三维激光扫描仪在地形测量中的运用

摘要：随着科技不断发展，测绘技术不断更新，传统的地形测绘技术已经无法满足地形测量的需求。在地形测量过程中，要综合性的、灵活地将新技术新设备与传统测绘技术中的设备相互结合，组织并协调人员的分工与环境的利用，保证地形测量的精度，共同努力，提高工作效率和经济效益，促进地质行业的更好发展。三维激光扫描技术革新了测绘技术，在很大程度上促进了测绘数据获取方法、处理方法以及服务能力和水平的发展。三维激光扫描具有较好的实时性、主动性和适应性，本文会介绍该技术在地形测量中如何发挥它的作用。

一、引言

地形测量的方法来由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等发展到现在的全站仪配合绘草图、全站仪配合测图精灵或笔记本电脑进行野外数字化成图的方法，使地形测量由原始手工绘图测量向一体化发展，在技术和精度上都有很大的提高。

三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术，它的出现为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描技术主要采用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。目前此项技术已广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、城市规划、智能交通、防震减灾等领域。

二、三维激光扫描系统

.三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：（1）机载型激光扫描系统；（2）地面型激光扫描系统，还可根据测量方式细分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统；（3）手持型激光扫描系统。地面型三维激光扫描系统一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源及其他附件组成。

1 地面三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪的诞生为代表，是继GPS（Global Position System）技术以来测绘领域的又一次技术革命，该技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新。将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段冈。地面型三维激光扫描技术是伴随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新的测绘技术。它是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。

2 地面型三维激光扫描系统工作原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪中心的距离。精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。地面三维激光扫描技术和传统的全站仪测量技术是相同的，采用激光三角法，以仪器自身中心为坐标原点（O），通过测距（S）和测角（θ，α）解算目标相对于原点的三维坐标P（x，y，z），然

后再通过坐标系的平移和旋转来得到不同坐标系统下的地理坐标。所不同的是，地面三维激光扫描技术具有全自动高密度的面数据获取能力，数据量极大且数据信息极为丰富。三维激光扫描仪的测量原理：三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性的基础上，在同时注重操作简便和测量速度上，从而保证了测量的综合精度，而其测量的原理是主要分为有测距、扫描、测角、定向这四个方面。三维激光扫描仪的测距原理：由于激光测距是激光扫描技术十分重要的组成部分，对于激光扫描的定位以及获取空间三维信息是具有十分重要的作用。现阶段的测距方法主要是有：相位法、三角法、脉冲法。测距方法都有其优缺点，而主要是集中在测程和精度的关系上，脉冲测量的距离最长，可是精度会随距离的增加而降低。相位法用于中程测量，具有比较高的测量精度，可它是通过两个间接测量才能够得到距离值，三角测量测程最短，可是精度最高，适用于近距离、室内的测量。三维激光扫描仪的测角原理：区别于常规仪器的度盘测角方式，激光扫描仪是通过改变激光光路而获得扫描角度。把两个步进电机与扫描棱镜安装在一起，进而分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机也是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，它能够实现对激光扫描仪的精确定位。

三维激光扫描仪的扫描原理对于三维激光扫描仪是透过内置的伺服驱动马达系统的精密控制的多面扫描棱镜的转动，决定着激光束的出射方向，能够让脉冲激光束能够沿着横轴方向与纵轴方向进行快速的扫描。扫描的控制装置为：摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜。

对于摆动扫描镜是一个平面反射镜，是由电机的驱动来进行往返振荡，这种测距方式就是一种间接测距的方式，通过检测发射和接收信号之间的相位差，从而获得被测目标的距离。三、在地形测量中注意事项

进行三维激光扫描测站的选择，距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达到毫米级。应注意该选在视野相对开阔的地方，四周遮挡物较少，这样扫描范围广，减少测站的设置，提高工作效率，加快工作进程。其次测站的选择离观测对象不宜过近，以免仰角太大，影响成像的效果。在扫描过程中，人员尽量减少在仪器前的走动，以免影响扫描结果，增加数据的采集。各测站间一定要有3个以上重合点，且要有相应的编号，便于数据的拼接建模。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。

四、地形测量的过程控制和质量检查

在对勘察区进行测量以前，要对所有的资料进行正确地分析和验证，并确保仪器设备的可靠性和有效性。测量过程中的各作业环节和工期的质量控制，要严格按照测量规范的要求执行，生产计划部门要保障本测区技术方案的执行和有效性。同时，质量检验部门要认真检查、监督本测区的测量过程和最终结果。

在进行选点并埋设标石过程中，要检查控制网分布的合理性、点位选址的通视情况，确定埋石满足技术要求，并保证埋石可以长久保存；观测数据和起算数据要确保正确并有效，平差的过程和结果要满足技术要求的规定；成形后的图件，其图面要整洁，记录数据要准确。

结束语

目前在我国建设和土地规划的过程中大多情况下都使用的是地形测量技术，目前地形的测量技术运用了大量的高科技的先进设备和技术，这有效的提升了对地形测量的精准性，为后期工作提供了科学的参考依据，虽然目前地形测量工作中还存在着一些问题，但随着现代化数字技术的广泛应用及各种相关的技术规范的不断完善、测量人员专业水平和工作态度的提高，测量技术和测量水平将不断的提高，有效的保证了地形测量工作的优质、高效。

参考文献：

[1] 梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J]. 测绘通报，2010（1）：53 ～ 56

[2] 魏卫红.现代测绘技术的发展及应用[J]. 今日科苑.2009