刍议激光三维扫描、重建技术及其在工程中的应用

王江峰 郑俊

摘 要：科技在不断发展，测绘技术也得到前所未有的发展，激光三维扫描、重建技术逐渐被应用到工程建设中，为其提供了有效的数据服务，特别是在工程测量中，激光三维技术的应用可以快速大量的获取地表信息，提高了测绘效率。

关键词：激光三维扫描;重建技术;工程;应用

目前，激光三维扫描测量技术在工程建设中的需求量不断增多，相对于传统测量技术而言，激光三维扫描具有测量速度快，投入低，精确度高等优势，现代工程项目设计中均在不断的采取激光三维扫描测量技术，以提高测量的速度及准确性。

1.激光三维扫描技术

1.1内涵

激光三维扫描技术主要是以激光对距离进行测量，再利用云计算对测量点的数据以三维化的模式呈现出来，进一步记录反射率数据，最后通过三维技术特有的全景模型构建模拟实景，这是工程测量技术历史上的一次重大创新。该技术能够快速、连续获取所需项目的空間信息数据，利用非接触的方式直接获得被测目标的空间位置信息，在扫描过程中所需人力不多，确保了信息数据的真实性和客观性。

1.2分类

按照技术应用可分为固定式和移动式，固定式技术指的是利用全站仪开展测量，将其作为激光扫描的控制中心及数据处理中心，全站仪可以将大量的数据汇总整合，再通过处理软件形成三维坐标，更容易操作，精度更高，效率更高，应用范围更广。移动式激光三维扫描技术，则是利用车载平台实施移动式定位扫描，再借助GPS、IMU系统，再结合激光三维扫描技术组成整个运转系统，灵活性更高，但对地形复杂、恶劣的环境而言不适用此方法。

1.3原理

激光三维扫描技术作为一种新型科技，其主要原理是利用激光测量距离，通过记录目标表面的点的三维坐标，反射率，纹理等信息，再迅速收集整理这些信息，将信息形成系统数据，再以三维模式将精准的数据呈现给测量人员，便于观察和统计，有效的提高了工作效率。此外，激光三维扫描技术完成了从单点测量到面测量的突破，同时也将该技术在建筑，室内设计，土木工程，交通事故及军事领域中使用。三维激光扫描系统包含数据采集硬件设备，软件部分，还分为机载，地面，车载等类型，技术人员在应该用该技术的同时也在不断研究，不断完善，使其更加成熟，满足测量工作的需求。

1.4优势

第一、所包含的信息量巨大。激光三维扫描技术不同于传统测量技术，其能够对全空间内的数据进行扫描，从而获取大量的三维坐标数据，对城市建立完成的地面信息数据库具有重要价值，为城市空间规划发展提供有力信息。第二、数据采集过程安全性高。传统测量方式在测量高速公路、立交桥等工程时，危险性较高，需要技术人员在比较危险的环境下集中注意力作业，以便采集准确的数据。而激光三维扫描技术具有非接触性，因此测量效果更理想，确保了技术人员的人身安全。第三、测量精度高。在我国，激光三维扫描技术在多个行业仍在探索阶段，但通过实际应用研究，其测量精度远超出人工测量，能够完全满足我国在大工程建设中对测量精度的要求。

2.激光三维扫描技术、重建技术在工程中的应用

2.1地形图测绘中的应用

我国地形图是城镇规划、建设管理等重要资料。以往对地形图测绘时主要采取全站仪、RTK常规测绘方法，但这些方法存在效率低、人工成本高、更新慢等缺陷，无法满足社会发展的需求。激光三维扫描技术便可有效的解决这个问题，将激光三维扫描技术应用于地形测绘中，以不同的项目要求和地形特点为依据，可使用不同平台作业方式，快速获取高精度地表点云数据。扫描过程中，多平台的激光雷达测量系统可自主发射激光，再利用多次回波技术，避免作业环境及地表植物的影响，获取精准的地貌信息。内业部分采用专业软件，解算平台轨迹，获取高精度的位置和速度信息，建立测区坐标控制系统，纠正地形点云数据，配合立体测图、地形成图软件，基于三维场景实施多视角捕捉和绘制地物。

2.2计算土方

目前，激光三维扫描技术已成为土方工程中最常用的测量方式，首先打造基准面，以便充分获取点云数据，再将数据与坐标系相结合，通过最小二乘法计算，进而提高数据的准确性，最后依据高程信息及点云数据边界打造基准面。通常情况下，不同信息的工程基准面性状以高程为主，或者存在曲面。第二、剔除地形中的非地貌数据，主要包括：基础设施及植被，采取平均面迭代法开展剔除，直至地形表面结构全被剔除，获取基准数，得到土方量的准确数据。激光三维扫描技术在土方工程计算中的作用非常重要，其能够打破传统测量方式，有效的避免了错误的产生，大大提升工程项目建设效率，降低成本，实现了建设工程经济效益，也是我国土方工程中的重大突破。

2.3建筑测量中的应用

现阶段，我国城市化发展十分迅速，无论是翻修工程还是保护工程都需要开展测量，而且对数据精密性的要求极高，传统测量工具测得的数据与实际效果存在较大差异，同时需要较大的人工投入，才能降低测量数据与实际数据之间的差距。其优势在复原古建筑和老旧建筑改造中的应用更为明显，例如：某国家5A级景区，作为历史悠久的古镇，因建筑年代久远，出现了分区不明，杂乱无章，年久失修等问题，为了有效消除安全隐患，提高景区整体面貌，相关部门决定对其实施改造。采用激光三维扫描技术开展测绘工作，测得其道路长度为3.5公里，以道路两侧建筑物为扫描对象。使用组合式地面激光扫描系统开展测站扫描，为了提高数据精度，在布设架站点时以相邻点间通视良好，站数最小，扫描内容及范围最大为原则，按顺序逐一扫描。数据采集完成后，导入工作站，再对数据实施纠正、拼接、去噪处理。最后将处理好的点云数据导入成图软件，整理出成果资料。期间共用时5天，实现了快速、准确、高效的目标。

2.4道路工程中的应用

道路工程开展测量是为了获得工程样图及横纵断面，传统测量方式以水准仪为主要测量工具，测量逐个点的道路高程，但道路工程测量范围广，路程远，增加了测绘难度，同时由于水准仪设备测量消耗时间较长，成本高，数据精确性不高，诸多因素使得测绘人员工作压力倍增。而将激光三维扫描技术应用于道路工程测量中，能够快速获得道路数据信息，再加上对实地环境的考察，能够在很大程度上确保交通工程顺利开展，还能避免大漏洞和施工缺陷，有效降低成本，提高道路施工的效率及方案的可行性。

2.5对变形监测的应用

在一些特殊工程中，例如：大型电站、长隧道、大坝、其工程是否存在变形直接关系到人民的生命财产安全。如果这些工程缺少监测，出现严重变形进而产生崩塌，会造成巨大的财产损失及人员伤亡事故。通常在工程完工后，可使用激光三维扫描技术对工程实施检测，获取大量的工程表面三维数据，再对其开展进一步分析，便可及时发现潜在的安全隐患，进而相关部门作出调整方案。相较于传统检测方法，激光三维扫描技术数据采集率更高，点云数据更多，实现了从点到面的飞跃，避免了以往测量方式的片面性和局限性。

结束语

激光三维扫描技术是一种新型测绘手段，具有获取数据快速，精确度高，自动化程度高等特点，将其应用于工程测量中，可显著提高工作效率，降低测量成本，对工程测量而言具有重大意义。

参考文献：

[1]周超，李慧.三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].工程技术究，2020，5（18）：123-124.

[2]刘志强.三维激光扫描技术在矿山测量中的应用与研究[J].有色金属（矿山部分），2021，73（03）：133-135.