摘要：快速、準確、有效地獲取空間三維信息，是許多學者深入研究的課題。隨著信息技術研究的深入及數字地球、數字城市、虛擬現實等概念的出現，尤其在當今以計算機技術為依托的信息時代，人們對空間三維信息的需求更加迫切。三維激光掃描技術是一項高新技術，是一種利用激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器。利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據，可快速建立結構復雜、不規則場景的三維可視化模型，既省時又省力。

　　關鍵字：三維激光掃描儀,城市基礎設施,地鐵隧道變形,公路大修工程

　　1.三維激光掃描儀的概念

　　三維激光掃描技術是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。三維激光掃描儀通過高速激光發射器運用激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。

　　2.三維激光掃描儀作業流程

　　三維激光掃描作業流程主要分為外業數據采集和內業數據處理兩大部分。

　　2.1外業數據采集

　　外業數據采集包括標靶及控制點布設與測量和數據全景掃描兩部分工作，控制測量包括平面控制測量和高程控制測量，數據掃描包括三維激光掃描和標靶三維坐標測量。

　　2.1.1標靶與控制點布設及測量

　　在外業數據采集時，由于三維激光掃描儀的測程是有限的，同時掃描儀與被掃描目標所形成的夾角不同的情況下的空間分辨率是不一樣的，夾角越小，分辨率越低;對于不同的掃描距離，點的精度也不同;另外還存在有障礙物不能通視的情況，因此通常一條道路的測量工作需要在很多測站來完成。那么不同測站的測量數據如何拼接到一起，就需要標靶來完成，因此根據掃描儀測程，需要在各相鄰測站重合的位置布設3個以上形成不規則圖形的標靶，以供點云拼接需要。

　　2.2內業數據處理

　　外業掃描到的三維點云數據，既包含有用的數據，也包含車輛、行人、樹葉等等無用的數據。這些數據量龐大的點云必須要經過處理才能被利用。

　　2.2.1數據濾波、抽隙

　　外業數據采集的無用數據，也稱作噪聲數據，將這些數據剔除的過程叫做數據濾波。如果采集到的點云數據或者局部數據相對于工程本身過于密集，還可以對數據進行抽隙處理，這種方式也稱作去云。

　　2.2.2點云拼接

　　把從各個測站上掃描得到的點云數據，通過設置在測站重疊處不規則的標靶擬合而拼接在一起，這個過程叫做點云拼接。利用已經布設、測量過的控制點三維坐標，將拼接后的點云納入到我們所使用的平面直角坐標系中。

　　2.2.3平面虛擬測量

　　點云數據是由大量三維信息的點位組成，還需要結合由CCD相機所拍攝的真彩色影像，前者保證了表面模型的數據(DSM)，而影像數據則保證了邊緣(Edges)和角落(Corner)的信息完整和準確。

　　2.2.4建立DEM模型，生成等高線、縱橫斷面圖

　　經過處理了的點云是由高密度的三維離散點陣組成，將這些空間點利用軟件平臺生成連續的不規則三角網(TIN)，進而生成等高線，并且可以根據需要設置等高線間距。將帶有樁號的設計中線插入到固定坐標系中的TIN模型當中，根據設計要求的中線斷面間距及每個橫斷面寬度，即可生成所需要的任意縱橫斷面圖。

　　3.三維激光掃描儀在城市基礎設施監管中的應用

　　3.1三維激光掃描儀在地鐵隧道變形監測中的應用

　　地鐵隧道收斂變形，是指地鐵隧道在營運過程中，由于受到地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工及隧道工程結構施工、地鐵列車運行振動等，對隧道產生綜合影響而造成的隧道變形。地鐵隧道收斂變形量必須保持在設計范圍內，否則需要采取措施，防止災難事故發生。

　　3.1.1三維 3.1.2三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測中應用的基本思路

　　3.1.2.1數據采集

　　設計導線與水準測量方案，根據激光掃描儀性能參數及現場環境設計掃描站間距、掃描點密度，保證具有一定的掃描重疊度;隧道內導線及水準測量，傳遞三維坐標;同步進行隧道三維激光掃描，獲得隧道管壁三維點云數據，同時也獲得標靶點云數據。

　　3.1.2.2數據預處理

　　標靶三維坐標計算：通過導線及水準測量成果，計算標靶的三維坐標。

　　點云數據三維坐標歸算：根據標靶三維坐標將每站的點云數據歸算到統一的三維坐標系統。

　　剔除噪音數據：根據隧道設計數據，剔除管壁外的噪音數據。

　　提取必要的管壁點云數據：由于掃描角度、距離等因素，管壁點云密度并不均勻，站附近的點密度大。為便于下一步處理，去掉點密度大的區域中不必要的大量冗余點，按照一定的密度提取點云數據，提高后續數據處理速度。

　　3.1.2.3三維模型建立

　　根據預處理后的點云數據生成地鐵隧道內壁三維模型。

　　3.1.2.4成果輸出

　　按照地鐵隧道收斂變形測量要求，對指定管片截取三維模型斷面，對斷面數據進行高次樣條曲線擬合，與設計斷面理論值比較，求出管片一周的變化量曲線，并輸出特征點的變形量差值。輸出每管片一周收斂變形報告。

　　3.1.2.5成果管理

　　成果管理是指對大量的斷面數據及多次測量成果進行有效管理。為了提高管理效率，建立地鐵隧道收斂測量成果管理系統，建立數據庫管理每個管片測量成果，同時建立成果瀏覽與分析系統。

　　3.2三維激光掃描儀在高速公路大修工程中的應用

　　高速公路使用年限較長，出現開裂、破損現象。為使地形圖能準確反映道路現狀，設計要求每10米測量一組高程，然后提供中央隔離帶兩側路面上的兩條縱斷面圖形，并且分別提供每10米一組橫斷面圖形。由于道路正在使用，車流量較大，車速快。為不影響交通，測量作業過程中車輛不能斷流。常規測量需上路測量，穿行在高速公路，測量大量高程點，存在有很大的風險。考慮到風險的存在以及工作量極大，利用三維激光掃描儀進行作業。

　　沿高速公路最外側緊急停車帶設立測站，對測量范圍內的目標進行掃描，利用軟件進行數據拼接。拼接后的部分點云見圖1、圖2。

　　利用傳統測量方式——符合水準線路測量了82個相同位置的點位高程，與三維激光掃描成果進行比較，其中誤差 為0.011m。

　　然后將抽隙了的數據作為原始數據，利用專業軟件生成TIN三角網模型，插入道路中心，即可生成設計所需要的縱橫斷面圖形。如下圖：

　　道路大修工程除了需測繪大比例尺現狀地形圖及縱橫斷面測量以外，還有一個特點就是對地面上所有交通設施，例如各類交通標志牌、紅綠燈、公交車站、道路上所有護欄，甚至要求對行車道上的分道線、車轍、隔離帶上鋪裝范圍及種類、各類管線檢查井蓋位置、尺寸及高程都要準確地在地形圖中表示出來。為準確確定加鋪量，設計人對圖面高程密度要求很高，利用傳統的野外地形數據采集手段，測量員的工作量會很大，太多的地物點容易丟漏，給設計人員帶來問題，另外由于道路上車輛較多，作業員上路作業風險很大。所以我們利用三維激光掃描儀進行測量可以幫助我們節省大量時間及人力。

　　4.結論

　　三維激光掃描儀作為測繪科學的領先產品，具有鮮明的優勢，廣泛的應用。從整體看來，三維激光掃描儀基本涵蓋測繪的各個領域，具備大面積，高自動化，高速率，高精度測量的特點。三維激光掃描技術是一個新生事物，其技術上還有很多地方需要改進和提高：受到安全激光功率的局限，掃描距離和范圍有限;特定材料對激光光源反射不夠敏感造成掃描范圍內出現盲區;掃描激光光斑隨距離的增加而變大，造成掃描結果中物體邊緣細節難以識別;因此三維處理軟件功能有待進一步完善。總的來說，三維激光掃描儀具有較廣的應用前景，有一定的研究價值。

　　參考文獻：

　　1.大型橋梁產生變形的原因及監控方法 呂佳澤 北方交通 2010.4

　　2.張國輝 基于三維激光掃描儀的地形變化測量 儀器儀表學報 2006

　　3.羅德安 朱光 陸立 廖麗瓊 基于三維激光影像掃描技術的整體變形監測 測繪通報2005.7