三維激光掃描技術在工程測量中的應用

三維激光掃描技術在工程測量中的應用摘要：本文簡單說明三維激光掃描技術的特征，分別從外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)收集中軸線生成、斷面提取、土方量計算以及三維立體模型構建五方面分析該技術在工程測量中的實際運用，以此增強工程測量準確性、科學性。關鍵詞：三維激光掃描技術；工程測量；斷面提取前言：由于地下空間結(jié)構復雜，不利于開發(fā)與管理，在空間數(shù)據(jù)采集方面的難度大。因此，為保證地下空間測繪結(jié)果準確性，就需重視三維激光掃描技術的使用，以此提高此類工程測繪效率與質(zhì)量，實現(xiàn)地下空間的科學化管理。1三維激光掃描技術特征三維激光掃描技術的使用可實現(xiàn)對地形圖的快速、精準測繪，將使用該技術得到的經(jīng)濟數(shù)據(jù)云點作為依據(jù)，計算三維地形模型圖。在此期間，能夠自動獲取圖形等高線。實際施工時，借助所構建的模型，將其同計算結(jié)果進行比對，便可準確得到土石方開發(fā)數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程建設提供數(shù)據(jù)支持，有利于工作人員建設圖紙的設計，以保證工程合理、有序進行。此外，三維激光掃描技術還能測量工程測繪地形、建筑施工地質(zhì)、交通管理等工程，促使數(shù)據(jù)測量朝著便捷性的方向革新。但采用此技術時，對于測繪人員的要求較高，需熟練掌握技術操作方法。同時對于測繪過程中應用到的各類測量儀器操作步驟也需做到有效掌握，以此充分發(fā)揮三維激光掃描技術的工程價值，確保測繪數(shù)據(jù)結(jié)果準確性，提高測繪流程與工序?qū)I(yè)性，并借助此技術連接多個網(wǎng)格軟件，搭配云計算技術、分析技術，實現(xiàn)對掃描數(shù)據(jù)的快速處理［1。］2工程測量中三維激光掃描技術的實際應用2.1外業(yè)數(shù)據(jù)收集為保證點云數(shù)據(jù)的真實性、完整性，就需重視對施工現(xiàn)場的勘測，依托于實際情況，開展測量方案的設計工作。同時，測繪人員還需明確在處理業(yè)內(nèi)與外內(nèi)數(shù)據(jù)時的具體要求，若所測量的工程為地下硐室，則需在不同通道口處設置控制點，以此實現(xiàn)內(nèi)外數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換。由于硐室的橫斷面較大，且內(nèi)部存儲物品較復雜包括各類設備、材料，而一些硐室還會被用作休息室、機修房等，結(jié)構與用途的特殊性會限制三維激光掃描儀的測距。因此，在對其進行外業(yè)掃描時，盡可能設置多個測量站。為使相鄰站的點云數(shù)據(jù)能夠達到完好拼接，就需在該測量站之間設置三維掃描球形標靶，數(shù)量需多于3個，且各標靶應在不同水平線上。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)收集整理外業(yè)測繪到的點云數(shù)據(jù)，將其上傳至點云處理軟件中，借助目標配準工具，完成各數(shù)據(jù)的配準工作。在此過程中，作業(yè)人員需明確標準偏差，一般為0.45cm。同時還需了解三維空間坐標系各方向的殘差，分別為X:0.18cm、Y：-0.66cm、Z:0.35cm。同樣以硐室為例，由于其內(nèi)部擺放物品較多，因此，在測繪期間為保證測量結(jié)果的準確性，需將可移動的設施進行換位處理。這一過程中，極易掃描到測量人員，導致點云數(shù)據(jù)失真。對此，需針對采集到的點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，采取科學的手段，將工作人員與內(nèi)部設施等噪聲點加以凈化，最終得到具有參考性與真實性的點云數(shù)據(jù)。生成中軸線適當選取空間切片切片厚度，大約5cm，并保證所選取的切片垂直于XOY平面，按照工程走向?qū)μ幚砗蟮狞c云數(shù)據(jù)執(zhí)行均勻切割，最終得到點云切片數(shù)據(jù)。從大量數(shù)據(jù)中，隨機選取一組點云數(shù)據(jù)，并將其以投影的方式呈現(xiàn)到XOY平面上以此獲得中軸線點云的輸入數(shù)據(jù)。緊接著借助移動最小二乘法細化中軸線點云，再使用非均勻有理B樣條曲線擬合細化處理后的點云，為后續(xù)斷面提取工作提供精準點云數(shù)據(jù)支持［2。］提取斷面將上述構建的中軸線作為依據(jù)，在此基礎上，可實現(xiàn)對任意工程部位斷面的提取，充分分析工程建設圖紙，以此了解工程內(nèi)部整體分布情況，選擇便于施工的一側(cè)，朝著中軸線所處的方向開展點云切片作業(yè)。切片過程中，需合理控制切片間距，通常為3m,但若工程結(jié)構復雜，需適當縮小切片間距，以保證各區(qū)間點云均具有可分析與計算的價值，此工序完成后，便可獲得點云切片數(shù)據(jù)。與此同時，還需對此數(shù)據(jù)進行擬合，但測量人員應明確斷面曲線擬合法向最大偏差即1cm。此外，將幾何最大偏差與幾何標準偏差分別控制在0.8cm、0.195cm以下，而法向標準差不得大于0.2cm。2.5計算土方量將點云數(shù)據(jù)同三維空間坐標系結(jié)合在一起，打造出工程基準面，并對斷面加以提取，具體操作如上。只有保證以上各環(huán)節(jié)落實的合理性、科學性，所獲點云數(shù)據(jù)的準確性，方可保證工程土方量計算結(jié)果的真實性。開展此環(huán)節(jié)時，需借助三維激光掃描技術，對工程所有信息進行全面分析。一般情況下，工程信息不同斷面的形狀也會呈現(xiàn)出差異性，通常以高程為主，但對于較為特殊或有明確要求的工程來說，其斷面形狀也可能為曲面。確定斷面形狀后，剔除地形圖中不屬于地貌或不能反映地貌信息的數(shù)據(jù)，比如工程內(nèi)部設施。執(zhí)行剔除工作時，可采用平均面迭代法，并堅持反復多次剔除原則，確保所有不符合要求信息盡數(shù)去除，以提高工程基準數(shù)據(jù)準確性。緊接著將斷面作為依據(jù)，依托于三維激光掃描技術構建不規(guī)則三角網(wǎng)（具體操作如下），將三角網(wǎng)中的數(shù)據(jù)與坐標系中的數(shù)據(jù)相互結(jié)合，打造數(shù)字模型即三角網(wǎng)格模型，通過匯總并計算模型中存在的數(shù)據(jù)，便能夠準確得出工程挖方量及需填方體積。2.6構建三維立體模型對去噪后的點云進行空間采樣處理，結(jié)合工程整體規(guī)模對空間采樣的點間距加以控制，并匯總所有采集得到的點云數(shù)量做好記錄，利用點云處理軟件打造三角網(wǎng)工具。由于去噪處理后的點云數(shù)據(jù)體現(xiàn)出離散的特點，因此需在三維激光掃描技術與工具的支撐下，將其轉(zhuǎn)化三角網(wǎng)格模型。若各環(huán)節(jié)施工準確、有效，則生成的網(wǎng)格模型與工程外觀三維模型整體樣式相一致，呈現(xiàn)出良好的幾何準確性但為達到可視化的要求，就需對網(wǎng)格模型進行適當處理，依托于專業(yè)模型制作軟件如3DMAX，為網(wǎng)格模型映射相應的紋理，并結(jié)合工程外觀風格，對模型進行色彩渲染（如圖1所示），促使工程真實三維模型效果得到全方位還原。圖1基于3DMAX軟件構造的三角網(wǎng)格模型結(jié)論：現(xiàn)如今，三維激光掃描技術已被廣泛應用于地下空間工程測繪與管理工作中，不僅可對空間內(nèi)的斷面進行提取，還能計算土方量，并在該技術的支持下，打造出三維立體模型，以此提高工程測