论变形工程测量与地面三维激光扫描的有机结合

2020-07-16 142 上传者：管理员

摘要：地面三维激光扫描技术具有高速激光逐点扫描测量和摄影的功能，物体表面的三维坐标数据能够高分辨率地获取在短时间内，真实再现所测物体的三维立体模型和景观，在变形观测、精密工程测量、各类三维建模等领域得到了广泛的应用。本文依据变形工程项目情况，描述地面三维激光扫描技术在变形测量中的生产过程，分析扫描成果总结该技术的特点和优势。

关键词：
三维建模
变形
地面三维激光扫描
测绘学
监测
加入收藏

1、引言

地面三维激光扫描技术克服了传统测量技术的弊端和局限性，在有效距离之内获取能够反射激光的对象的点云数据，可以将物体的形状通过三维建模的形式高精度和完整地绘制出来。在测量过程中不需要对实体表面的接触，且扫描速度快、数据大、精度高等特点，被逐步广泛应用于建筑形变监测、模拟仿真和外观模型的建立，为施工监测、建筑设计和竣工测量、现场事故分析等许多领域提供实用价值和技术保障。地面三维激光扫描技术的方法及主要工作步骤如图1所示。

图1三维激光扫描技术应用主要工作步骤示意图

2、检校测量

三维激光扫描仪器对数学精度和指标数据都有着非常高的要求，三维激光扫描技术获取的点云数据，可以达到毫米级的采样间隔[1]。一般情况下，仪器和被扫描实体的距离越近，激光的光斑越小，分辨率越高，回波的信号也越强，从而测量的精度也越高，反之亦然[2]。在不同的天气状况、温度、湿度、仪器的分辨率等对测量精度都会产生不同的影响。因此在扫描测量之前对仪器和配件的检校测量是必不可少的，通常采取六段全组合法试验场检校测量，能够较精确地测定仪器的精度。

3、数据采集与处理

3.1扫描

外业的数据采集流程类似于全站仪的过程，通常首先在已知的控制点上架设仪器，对中整平后开始准备扫描;接下来，对测站点同视的已知控制点架设脚架和标靶，并对标靶进行对中整平;与此同时，对下一个测站控制点也架设脚架和标靶，并对标靶进行对中整平;在扫描之前，设置位置分布均匀，便于接下来一两个测站观测的标靶;对测量物体进行扫描测量，获取点云数据。

3.2数据拼接

外业数据采集后导入后处理软件，内业数据拼接以LeicaCyclone先将每个扫描站的数据相连接，利用平差剔除掉测量粗差和大的误差，进而提高数据质量和精度，将每一个扫描站数据拼接起来，进而形成一个统一的大整体。

3.3数据处理

以LeicaCyclone规定的格式，如:“PointNumber,FeatureCode,E,N,H”格式的文件，输出到绘图软件。依据点云的形状，通过绘图软件编辑处理建立三维模型。由于三维激光扫描技术是对整个测区空间信息的扫描，获取的点数据包含了地物的所有信息[3]。

4、应用实例

C旋转餐厅坐落于西澳大利亚首府佩斯CBD中心的圣马丁大厦顶楼，游客可以在餐厅环视这个佩斯市中心和天鹅河，平常顾客如梭，餐厅为确保安全和顾客欣赏美景，对旋转轨道有着极其严格的精度要求，本工程项目(三维建模后)平面视角和俯视角度的情况(如图2、图3所示)。

图2三维建模平面图

图3三维建模透视图

此项目采用LeicaP20进行外业数据采集，采用LeicaCyclone软件进行点云数据的处理，采用Microstation软件进行绘图(见图4局部)和建模。

图4三维建模工程项目局部图

依据旋转餐厅底部结构、构筑物和轨道的特点，每站扫描至少设置3个标靶以上，然后经过数据平差、非轨道数据剔除、轨道绘制和绘制轨道纵横断面图等步骤。最后利用模型数据放大分析圆形轨道的偏移情况(如图5所示)。

图5模型数据放大分析圆形轨道的偏移情况

5、结语

地面三维激光扫描技术采用非接触实体的方法进行扫描测量，无须对目标物体进行任何表面处理，方便地解决危险环境、人员难易接触目标、目标复杂情况等，具有传统测量方法难以企及的技术优势[4]。其次，地面三维激光扫描技术胜任于变形工程的监测，能够全面地反映轨道的表面特性，也能够满足精度要求，尤其对特种精密测量的要求。再者，地面三维激光扫描能够主动发射扫描光源、数据采样率高，速度快等诸多优势[5]，地面三维激光扫描采用相位激光方法测量可以达到数十万个点每秒，对于这样的采集速率是传统测量方法难以比拟的。

地面三维激光扫描技术在变形工程建设应用处于刚刚起步阶段，还没有制定出一整套完整的理论体系、数据计算处理方法和规范标准，还需要不断地完善和研究它，同时地面三维激光扫描技术在变形工程测量具有以下特点:

(1)测绘精度非常高，点云扫描精度高达0.01mm[6]，准确记录扫面物体的任何一点细微变化。

(2)三维建模逼真性好，高分辨率和高逼真度的数据获取，可以逼真还原目标物体的表面纹理以及颜色，确保高保真。

(3)外业操作高效便捷，设备体积小、应用操作简单方便，不受应用场地及空间限制。

(4)数据可靠性好，数据的获取采取非接触式操作，激光强度在安全范围内，对目标物体不造成任何的损伤。

(5)成果内容多样性，系统可提供的数据成果包括线画图、航片、影像、激光点云和表面纹理数据。数据处理后可输出DEM、三维模型、图纸等丰富多样。

参考文献：

[1]李德仁.移动测量技术及其应用[J].地理空间信息,2006,4(4):1~5.

[2]陈允芳,叶泽田.基于多传感器融合的车载移动测图系统研究[J].测绘通报,2007,(1):5~7.

[3]黄伟明.光电测距仪实用检测新方法[M].北京:测绘出版社,1993.

[4]刘春,张蕴灵,吴杭彬.地面三维激光扫描仪的检校与精度评估[J].工程勘察,2009(11):56~60+66.

韦兴荣.地面三维激光扫描应用于变形工程测量[J].城市勘测,2020(03):134-135+139.