三维激光扫描技术在工程测量中的应用

三维激光扫描技术在工程测量中的应用

魏利强

中国水利水电第五工程局有限公司  国际公司   四川 成都  610000

摘要：本文简单说明三维激光扫描技术的特征，分别从外业、内业数据收集、中轴线生成、断面提取、土方量计算以及三维立体模型构建五方面分析该技术在工程测量中的实际运用，以此增强工程测量准确性、科学性。

关键词：三维激光扫描技术；工程测量；断面提取

前言：由于地下空间结构复杂，不利于开发与管理，在空间数据采集方面的难度大。因此，为保证地下空间测绘结果准确性，就需重视三维激光扫描技术的使用，以此提高此类工程测绘效率与质量，实现地下空间的科学化管理。

1三维激光扫描技术特征

三维激光扫描技术的使用可实现对地形图的快速、精准测绘，将使用该技术得到的经济数据云点作为依据，计算三维地形模型图。在此期间，能够自动获取图形等高线。实际施工时，借助所构建的模型，将其同计算结果进行比对，便可准确得到土石方开发数据，为后续工程建设提供数据支持，有利于工作人员建设图纸的设计，以保证工程合理、有序进行。此外，三维激光扫描技术还能测量工程测绘地形、建筑施工地质、交通管理等工程，促使数据测量朝着便捷性的方向革新。但采用此技术时，对于测绘人员的要求较高，需熟练掌握技术操作方法。同时对于测绘过程中应用到的各类测量仪器操作步骤也需做到有效掌握，以此充分发挥三维激光扫描技术的工程价值，确保测绘数据结果准确性，提高测绘流程与工序专业性，并借助此技术连接多个网格软件，搭配云计算技术、分析技术，实现对扫描数据的快速处理^[1]。

2工程测量中三维激光扫描技术的实际应用

2.1外业数据收集

为保证点云数据的真实性、完整性，就需重视对施工现场的勘测，依托于实际情况，开展测量方案的设计工作。同时，测绘人员还需明确在处理业内与外内数据时的具体要求，若所测量的工程为地下硐室，则需在不同通道口处设置控制点，以此实现内外数据的坐标转换。由于硐室的横断面较大，且内部存储物品较复杂包括各类设备、材料，而一些硐室还会被用作休息室、机修房等，结构与用途的特殊性会限制三维激光扫描仪的测距。因此，在对其进行外业扫描时，尽可能设置多个测量站。为使相邻站的点云数据能够达到完好拼接，就需在该测量站之间设置三维扫描球形标靶，数量需多于3个，且各标靶应在不同水平线上。

2.2内业数据收集

整理外业测绘到的点云数据，将其上传至点云处理软件中，借助目标配准工具，完成各数据的配准工作。在此过程中，作业人员需明确标准偏差，一般为0.45cm。同时还需了解三维空间坐标系各方向的残差，分别为X:0.18cm、Y:-0.66cm、Z:0.35cm。同样以硐室为例，由于其内部摆放物品较多，因此，在测绘期间为保证测量结果的准确性，需将可移动的设施进行换位处理。这一过程中，极易扫描到测量人员，导致点云数据失真。对此，需针对采集到的点云数据进行去噪处理，采取科学的手段，将工作人员与内部设施等噪声点加以净化，最终得到具有参考性与真实性的点云数据。

2.3生成中轴线

适当选取空间切片切片厚度，大约5cm，并保证所选取的切片垂直于XOY平面，按照工程走向对处理后的点云数据执行均匀切割，最终得到点云切片数据。从大量数据中，随机选取一组点云数据，并将其以投影的方式呈现到XOY平面上，以此获得中轴线点云的输入数据。紧接着借助移动最小二乘法细化中轴线点云，再使用非均匀有理B样条曲线拟合细化处理后的点云，为后续断面提取工作提供精准点云数据支持^[2]。

2.4提取断面

将上述构建的中轴线作为依据，在此基础上，可实现对任意工程部位断面的提取，充分分析工程建设图纸，以此了解工程内部整体分布情况，选择便于施工的一侧，朝着中轴线所处的方向开展点云切片作业。切片过程中，需合理控制切片间距，通常为3m，但若工程结构复杂，需适当缩小切片间距，以保证各区间点云均具有可分析与计算的价值，此工序完成后，便可获得点云切片数据。与此同时，还需对此数据进行拟合，但测量人员应明确断面曲线拟合法向最大偏差即1cm。此外，将几何最大偏差与几何标准偏差分别控制在0.8cm、0.195cm以下，而法向标准差不得大于0.2cm。

2.5计算土方量

将点云数据同三维空间坐标系结合在一起，打造出工程基准面，并对断面加以提取，具体操作如上。只有保证以上各环节落实的合理性、科学性，所获点云数据的准确性，方可保证工程土方量计算结果的真实性。开展此环节时，需借助三维激光扫描技术，对工程所有信息进行全面分析。一般情况下，工程信息不同，断面的形状也会呈现出差异性，通常以高程为主，但对于较为特殊或有明确要求的工程来说，其断面形状也可能为曲面。确定断面形状后，剔除地形图中不属于地貌或不能反映地貌信息的数据，比如工程内部设施。执行剔除工作时，可采用平均面迭代法，并坚持反复多次剔除原则，确保所有不符合要求信息尽数去除，以提高工程基准数据准确性。紧接着将断面作为依据，依托于三维激光扫描技术构建不规则三角网（具体操作如下），将三角网中的数据与坐标系中的数据相互结合，打造数字模型即三角网格模型，通过汇总并计算模型中存在的数据，便能够准确得出工程挖方量及需填方体积。

2.6构建三维立体模型

对去噪后的点云进行空间采样处理，结合工程整体规模对空间采样的点间距加以控制，并汇总所有采集得到的点云数量做好记录，利用点云处理软件打造三角网工具。由于去噪处理后的点云数据体现出离散的特点，因此需在三维激光扫描技术与工具的支撑下，将其转化三角网格模型。若各环节施工准确、有效，则生成的网格模型与工程外观三维模型整体样式相一致，呈现出良好的几何准确性。但为达到可视化的要求，就需对网格模型进行适当处理，依托于专业模型制作软件如3D MAX，为网格模型映射相应的纹理，并结合工程外观风格，对模型进行色彩渲染（如图1所示），促使工程真实三维模型效果得到全方位还原。

图1 基于3D MAX软件构造的三角网格模型

结论：现如今，三维激光扫描技术已被广泛应用于地下空间工程测绘与管理工作中，不仅可对空间内的断面进行提取，还能计算土方量，并在该技术的支持下，打造出三维立体模型，以此提高工程测量结果的直观性与精准性。

参考文献：

[1]孟庆年,张洪德,王智,等.三维激光扫描技术在狭窄地下空间测量中的应用[J].测绘通报,2020(S1):168-172.

[2]储立新,陶钧.三维激光扫描技术在城市地下空间测量中的应用[J].测绘通报,2018(05):159-162.