三维激光扫描技术在土方量计算中的应用
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摘要：文章介绍了三维激光扫描仪工作原理，给出了处理点云数据的过程和方法，阐述了地形场景建模的方法，并用实例介绍了整体方法的实现过程和效果，实践表明，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立不规则场景的三维可视化模型，进而导入CAD软件来提取建筑物特征及其各种线划图。省时又省力，这种能力是传统测量方法所不能比拟的。
关键词：三维激光扫描 点云 数据处理 三维建模
中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0085-02
1 概述
三维激光扫描技术又称作高清晰测量（High Definition Surveying，简称HDS），它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面点的三维坐标信息、反射率、纹理等信息，将被测实体和场景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标三维模型及线、面、体等图件数据。
项目位于内蒙古敖仑花铜钼矿露天采场，面积约1平方公里，扫描区域如图1。作业要求：全野外三维点云数据采集、填挖方量计算、1：2000地形图、建立三维模型、生成三维视频。
2 三维激光扫描系统的原理
脉冲式三维激光扫描仪工作原理是激光器发射出单点的激光，通过记录激光的回波信号，计算激光的飞行时间，来计算目标点与扫描仪之间的距离。这样连续地对空间以一定的取样密度进行扫描测量，就能得到被测物体的密集的三维彩色散点数据，称作点云。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，由此可得点云坐标（XS，YS，ZS）的计算公式，如图2、3所示。
3 仪器介绍
本项目点云采集三维激光扫描仪，图4。
此仪器是当今最先进的三维激光扫描系统之一，它是一种高速脉冲式扫描仪，特点如下：
（1）完全的视场角：扫描视场角为水平360°，垂直270°，可获取顶部，垂直方向、水平方向和水平方向以下区域的数据；（2）测量级精度的双轴补偿器：可架设在已知点上进行导线测量、可输入点坐标来放样、精度1”，补偿范围+/-5’；（3）基于标准反射率表面工作距离：300m-90%反射率；134m-18%反射率；（4）高速扫描：扫描速度可达50000点/秒；发射的光斑大小为50m处恒定3mm，大大提高了扫描的速度和精度。（5）测量级精度如表1。
4 Scanstation2外业三维数据扫描
三维点云数据采集，关键步骤如下：
4.1 外业踏勘
首先，要进行现场踏勘、制作扫描规划草图，规划的内容包括：外业操作人员、扫描区域和时间、站点设置、标靶位置等。其次，科学设站，在保证仪器发挥最大功效的同时，应避免重复扫描，另外，后期如进行标靶拼接，一定要设计好下一站标靶的位置以确保两站标靶通视，如进行点云拼接，设站要尽量采集到较多的特征点。最后，标靶设置要规范，标靶摆设要稳固，尽量不要共线，同时标靶的位置最好设置在两站公共空间的最大距离处，以保证拼接精度。
4.2 外业扫描
外业点云数据扫描，主要步骤如下：（1）连接扫描仪和电脑，设置IP地址；（2）添加数据库，确定数据存储位置；（3）添加扫描仪，设置扫描仪参数，主要包括：照片曝光率、扫描范围、点云间隔密度等；（4）选择扫描数据存储的位置并连接扫描仪；（5）三维点云数据及标靶扫描。
5 点云数据处理
在Cyclone系统软件内进行，步骤如下：
5.1 剔除噪音点
在扫描过程中，由于受扫描系统本身的系统误差，如数据采集时激光雷达旋转引起的抖动、在扫描过程中杂散光和被测物体表面粗糙程度、波纹、表面材质等因素及外界环境影响，会产生不属于扫描实体本身的冗余数据，称为噪音点，如图5，6，为了保证数据计算及模型的精度，在数据拼接之前需进行噪音点剔除。
5.2 点云拼接
每站扫描的数据都是独立的自由坐标系统，坐标系原点为扫描仪镜头，其X方向为扫描仪开机时的镜头朝向。因此为了统一坐标系，需将各站数据进行拼接处理。拼接的思路是先将每天各测站的数据拼接成一个整体，然后将各天的数据进行拼接。
（1）点云拼接原理：外业扫描时用全站仪测得标靶的真实三维坐标，各测站扫描时均两两包含三个以上不共线同名标靶，利用各测站间的同名点将各测站数据拼接在一起。
（2）点云拼接方法：共有四种方法：在已知点上设测站扫描（即坐标拼接）、使用标靶将数据转换到统一坐标系中（即标靶拼接）、用点云匹配的方法将点云转换到统一坐标系中（即特征点云拼接）、综合使用上述三种方法。
第一种方法属于直接法地理坐标转换。与传统的测量方法一样，首先进行控制测量，获得控制点坐标，扫描时在已知点上设站，扫描相当于碎部测量。第二和第三种方法属于间接法的地理坐标转换。首先用至少三个公共点来将相邻测站的点云进行拼接，公共点可以是专用标靶或特征点（如窗户的边角、房角等）。
5.3 点云建模
建模的过程是在Cyclone软件下利用海量点云进行精确计算、拟合几何物体的形状，精确表现扫描物体。矿区扫描点云数据如图7。
点云经过剔除噪音点、拼接、构建TIN三角网，生成Mesh三维模型。如图8所示。
5.4 成果输出
（1）地形图制作：在Cyclone下利用Mesh三维模型自动生成等高线如图9，将点云与等高线导出，在CAD中制作1：2000地形图。
（2）填挖方量计算：项目采用了两种计算方法，一是利用点云数据构建三角网，用方格网法计算；二是在Mesh模型中选定参考面，设置取样间隔，计算土方量，如图10所示。
在Cyclone系统里，应用Mesh三维模型计算时，取样间隔的数值可以设置成0.01至1米之间，均可保证土方量计算又快又准，但如采用传统的方格网法计算，取样间隔即使设置到1米，也是相当费时费力的。
6 结语
本项目采用世界先进的三维激光扫描系统采集三维点云数据，在Cyclone系统里进行数据处理、模型制作，采用两种方法计算土方量，通过与传统测量方法相比，得出以下结论：
（1）数据采集速度快，ScanStation2的扫描速度是50000点/秒，短时间就可完成大区域面积内三维点云数据的采集，既节约成本又提高了工作效率；（2）激光三维扫描，不需要接触被测物体，且是根据物体的反射率和材质来采集数据信息，可进行全天候扫描；（3）点云数据完整精确，在软件下可进行多视角、三维可视化漫游浏览，方便、直观；（4）三维激光扫描仪获取的点云数据信息量丰富，既包含被测物体X，Y，Z坐标信息，还包括RGB颜色及反射率信息，后期对矢量数据可进行深挖掘及研究应用，一举多得；（5）应用三维点云数据可以提取任何线性特征，可以出任意比例的二维图，也可以在图上量取任何想要得到的信息，在保证高精度的同时还大大提高了生产效率，这是目前现有的方法中所不能比拟的。
参考文献
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