三维激光扫描仪在测绘中的应用与研究
摘要:本文通过阐述三维激光扫描仪在测绘中的应用得必要性和紧迫性,详细分析在测绘中的应用.提高测绘效率,保证测绘质量。
关键词 :三维 扫描 测绘
Abstract:This paper, through the application of 3D laser scanner in surveying and mapping must of necessity and urgency, a detailed analysis of its application in surveying and mapping. Improve the mapping efficiency, ensure the quality of Surveying and mapping.
Keywords: 3D scanning; mapping;
1前言
三维测绘代替二维测绘是大势所趋，利用三维激光扫描仪能够为规划、设计人员提供更为丰富和精确的3D测绘数据，并为规划、设计理念和手段的信息化发展做好相应的准备，并提高测绘的生产作业效率和技术水平。从世界上第一台三维激光扫描仪的问世以来，三维激光扫描技术已经走过了十几年的历程；它是继GPS之后，测绘行业在技术上的又一次飞跃。在十几年的发展历程中，三维激光扫描技术无论是在硬件设施上，还是在应用领域上，都在快速不断的向前发展。如今，三维激光扫描技术已经成为空间数据获取的重要技术手段，使我们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，不仅提高了观测的精度和速度，而且使数据的获取和处理朝智能化和自动化方向发展。在西方发达国家，激光扫描甚至已经成为一种主流的测绘方法–它已被60% 英国测量公司用于生成2D和3D的线性或几何目标：如道路，建筑物，结构体或其它几何目标。
2三维激光扫描仪特点
通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种无接触式主动测量系统。主要用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。其特点：
2.1三维测量
传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里全站仪、GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的， 在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X，Y，Z点的信息，还包括R，G，B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种
物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的，如下图所示：
激光扫描仪数据生成的某山地数字高程模型 利用激光扫描仪数据生成的成果图
2.2快速扫描
快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（如Leica公司的scanstation2）最大速度已经达到50000点/秒，相位式扫描仪最高速度已经达到1010000点/秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证。工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。
3三维激光扫描仪在实际测绘工作中的应用
综上所述，结合目前的测绘技术手段存在的局限性，对三维激光扫描仪在实际工作的应用进行分析：
当前的测绘手段存在的几点局限性:
当前的测绘手段基本停留在“GPS+全站仪”的较传统的作业模式，测绘较大面积地形图时仍需投入较可观的时间和人力进行外业作业，外业的生产效率和人力成本有进一步改善的空间；
当前我们基本上只能提供二维的CAD地形图。如果规划和设计人员不实地踏勘，并不能很直观的获取地形地貌信息，特别是像“海南文琼高速项目”，地表起伏大，地貌复杂多变，设计人员在进行相关专业设计时，二维的CAD地形图就存在相当的难度；
当前设计人员所必须的断面数据仍是不连续的测量数据，在当前的技术条件下，最大限度只能做到5m间距且给外业测量带来很大的工作量和操作难度；
当前在涉及到桥、涵、高压线等净空调查时，也只能获取离散的点数据；
当前在涉及到建筑结构的测绘任务时，存在无法逾越的技术障碍：难以全景的获取建筑结构的空间数据。三维成果在二维成果中无法体现。
当前在涉及到3D景观相关的测绘项目时，同样存在技术手段滞后的问题。设计人员要求获取道路两侧树的高度、形状，采用全站仪的作业方式，投入一个作业队用10天时间才完成外业数据采集。提交的成果是二维的CAD图和辅助
的照片。
3.2三维激光扫描仪的应用
三维激光扫描仪结合现有的GPS和全站仪设备，在测绘大面积地形图时节省部分的人力成本并提高外业数据采集的效率，特别是在需绘制等高线的区域；
三维激光扫描仪利用其点云数据生成常规的二维CAD图，结合其内置或外置的数码相机生成实景的3D图，这就基本解决了设计人员实地踏勘的问题。
三维激光扫描仪因为其是对地表的连续扫描来获取数据，当利用点云数据生成大面积的地表断面数据时极具优势，断面间距可以达到1m甚至更小，且精度高速度快。如海南文琼高速项目，我们利用山西亚太数字遥感新技术公司的机载激光扫描仪仅用7天（2天外业+5天内业）生成了全线100平方公里的DTM和等高线图。地面激光扫描仪的效率虽然比不了机载激光扫描仪，但其精度更高，使用更灵活；
三维激光扫描仪在涉及到桥、涵、高压线等净空调查及建筑物、3D景观测量任务时时，就可以实现3D呈现，就能提供更为真实精确的测量数据就能比较彻底的解决当前存在的技术手段问题。
三维激光扫描仪应用领域广泛：其扫描结果直接显示为点云（Pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），依据点云能够提取任何你想得到的信息。作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在地形测绘、变形监测、公路铁路建设、桥梁改建、城市建筑测量、隧道工程、文物保护、采矿业、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造等领域里应用，部分如下图所示：
地形测量 公路测量
3.3三维激光扫描仪的性能
当前能够提供可靠软硬件三维激光扫描仪整体解决方案并适合我们生产实际所需的公司有3家：奥地利的瑞格（Riegl）公司、瑞士的徕卡（Leica）公司及武汉的迅能公司。三家公司都有自主研发的扫描仪，徕卡公司更是有自己配套开发的以Cyclone为核心的数据处理软件集；而瑞格和迅能是搭配业内兼容性、功能性比较强大的专业激光数据处理软件PointCloud。对比表如下：
4结论
综上，当前我们提交的测绘成果虽然基本上能满足规划和设计人员的需求，但远远谈不上尽善尽美。并且，随着设计理念和手段的信息化建设加速，BIM系统在设计中的运用，当前所能提供测绘数据的二维CAD图形式和质量就会严重与之脱节，就会无法满足规划和设计人员的需求了。需要把三维激光扫描仪在测绘实际工作中得到广泛推广和应用。
参考文献：
《数字航空摄影测量 测图规范》（CH/T 3007-2011）.
《基础地理信息数字成果1：500、1：1000、1：2000数字高程模型》（CH/T 9008.2-2010）.
《1：500 1：1000 1：2000地形图航空摄影规范》（GB/T 6962-2005）.
