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三维激光扫描技术及工程应用

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【摘要】介绍了三维激光扫描技术的使用原理,就激光扫描设备的硬件装置展开了详细的分类,分析了三维激光扫描体系的误差因素,借助三维激光扫描技术在地质研究、城市模型构建、文物维护等产业中的运用展开介绍研究,归纳三维激光扫描工艺的工程实用性质以及其涵盖的问题,并深入地研究了切实项目应用的效益,提高了工作效率。

【关键词】三维激光扫描技术;城市建模;文物保护

1三维激光扫描技术

1.1三维激光扫描原理

三维激光扫描其本质就是针对目标表面通过测算距离的形式来检测其坐标点的位置,检验得到的数据完全可以通过对应的空间分辨率的点云图来表述,其间隔的距离越短,点云图所测得的数据信息就会愈加接近物品本身。三维激光扫描设备在检测之时要求先建立以设备为中心坐标系,X轴在横向扫描界面中,Y轴在纵向扫描界面中与X轴维持1个垂直的状态,Z轴与横向以及纵向扫描界面保持垂直。

1.2三维激光扫描数据处理

三维激光扫描所得到的点云信息数据量较大、所包含的信息量较大、自动辨别困难等特征,要求对得到的数据信息展开配适、简化以及拟合等处理。数据配准的概念就是将在不同检测站所得到的数据信息加入到同一个坐标体系中,由于要取得同一目标物体的左右信息数据,很多时候要求从条的角度进行量测。但三维激光扫描设备每次检测得到的坐标都包含在以监测站为原点的坐标体系中,因此,要求将这样的一些坐标信息转入到同一个坐标体系中。最为常见的数据配准像是就是Besl所提出的最近点迭代算法,也就是ICP算法,很多学者针对ICP算法展开了不同层面上的改善。数据精简就是把点云数据信息中那些无效的信息排除,由于三维激光设备在扫描的过程中执行的是无差别扫描的形式,所以,会经常扫描到很多无效信息,最为常见的形式就是规定对应的闭值来去除噪声点,Rogers以及Adams通过连续点间的弦长来当作是简化的规程,界定阂值后删除变化率大的点;Lee、Woo与Suk以3个连续点的方向矢量之间的夹角来当作是精简的判定标准。数据拟合的概念就是依照其对应的要求展开对于曲面、曲线以及平面的拟合,最常见形式主要是Choi所提出的配适凸表面拟合的相关算法,Obolnske以及Guld提出的依照离散点集表面重组的计算方法。点云信息在经过处理后能开展对应目标物体的三维模型组建[1]。

2地面三维激光扫描系统的误差分析

作为一种多传感设备的集成体系,三维激光扫描体系的各个体系的构成成分之间可以借助一定的轴系来保障整个体系的运作。在操作的环节中,使所取得的数据包含有误差的原因主要是:1)轴系间的相互旋转造成的测量距离以及其测角之间的误差;2)扫描体系借助旋转的棱镜镜面来放射激光束到达目标物体的表层,所以镜面的旋转一样会造成有一定的差异;3)为扫描体系提供的各种外设,譬如GPS或摄像装备,这样的以中国设备之间的束缚使最后的点石信息数据的精确度下降;4)针对有着绝对定向性能的激光扫描设备,测站点以及其后视点定位定向的精度都会出现有相关的影响,譬如,在扫描设备整平对中环节中,人为原因所产生的误差同样也是约束精确度的一个关键因素;5)扫描体系中内置或外置的相机校验误差相对较大;6)外界环境,如温度、气压的因素,实体反射特征等条件所产生的点石信息有误。

3三维激光扫描系统在岩土工程中的应用

本次搜集所采用的是LeicaP30超高速三维激光扫描装置,搜集工作大致可以分成两次开展,扫描了玻璃栈道区域以及深坑中的所有全部地形。

3.1高边坡变形监测

3.1.1三维激光扫描技术应用与边坡变形勘测的优势边坡形变检验是边坡稳固研究过程中最为关键的内容。以往的边坡稳定性质的检验形式是通过各种电学量的设备来进行量测,这样的一些设备仪器搜集的信息有着单点、不连贯、传输间距有限等缺陷,并且数据处理装置要求放置在勘测点周边,有着较大的不便。三维激光扫描技术的深入与应用,为边坡形变勘测提供了一种全新的形式。其使用与边坡形变勘测的优势主要是有以下几点:1)短时间中取得测量区域中的不规则三维数据点云,一般取得1km区域中地形以及边坡变形的信息≤1h。2)精准度相对较大、区间范围相对较广。能在数百米的区域范围之外,就取得被测物体相关信息数据,并且其精准的还控制在mm的范围中。譬如LeicaP30扫描的区间范围是1000m,但是平均误差却只有5mm。3)消耗的人力资源相对较少。只需1人就可以实现大范围的地形勘测。4)有着计算体积以及依照数据点云产生三维滑裂面的性能,所以更加适用于三维形变研究,在三维条件下研究边坡形变以及其破坏机理,判定其对应的破坏体系[2]。以往的监测技术只能借助测量点的信息,依照插值拟合构成二维滑裂面,并且无法计算其对应的滑档面积与体积。

3.1.2三维激光扫描体系使用与边坡变形勘测的局限性三维激光扫描体系使用与边坡变形勘测上也有一定的局限性,主要体现在以下几个层面:1)受到植被的作用较大。因为三维激光扫描设备至可以用于获取物体的表层的三维坐标,当边坡表面被植物掩盖时,可以通过对应的过滤法进行计算,取得裸露的地表信息。2)无法进行实时的检测。依照三维激光扫描仪的特征,可以将两次检测的信息展开叠加研究,依照两次地形转变来确立边坡的形变以及其滑动的体积[3]。依照场地的地形以及其环境条件,为确保标靶的辨别与衔接,把每个检测站的直径配置成为60m,两个检测站之间重叠区间是10m。为符合对现场地形角落的全面覆盖,在切实扫描工作之时依照切实状况就站点展开增设。一共创建了50个扫描点。

3.2岩石断裂构造调查

通过三维激光扫描设备还能针对岩石裂隙面进行勘测。在郊外,一般通过地质罗盘装置来检验岩石的产状因素,大致的缺陷主要是有:费时费力;在高边坡或相对恶劣的条件下,测量工作人员无法接近岩石表层,危及到勘测人员的生命安全;因为勘测人员本身素质不同,其勘测的数据结果也存在有一定的误差[4,5]。地面三维激光扫描技术的精确度误差可以控制在5mm以,内扫描点之间的间距≥1mm,扫描的区间达到了1km。所以,勘测人员只需在野外较为正平的区域架设三维激光扫描装置,并对出露岩石表层展开测量,储存扫描信息,之后在室内展开节理、断层的产状要素研究工作,依照大量扫描信息提取得到的岩石裂隙组方向,并输入到CAD测绘软件中,能极大限度的提升高野外地质勘测作业的效益以及其精准度,降低人员受伤的概率。

4结语

综上所述,三维激光扫描技术工艺能迅速地取得空间均匀分布并且精准度极高的点云三维空间数据信息,在重新组建古文物外观架构、土方量测算、地形勘测等层面有着相对较大的使用潜质。但若依照不同的种类进行使用,要求构建起对应的模型化理念,所以会带动很多新兴的研究。三维激光扫描技术使用在边坡相变勘测以及和岩石裂隙面检测是其在岩土工程项目中新的运用方向。

【参考文献】

【1】杨林.三维激光扫描技术在建筑工程施工变形监测中的应用研究[D].天津:天津大学,2016.

【2】董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都:成都理工大学,2007.

【3】王宜彬,郑曦,佟玲,等.三维激光扫描技术在天津周大福金融中心工程中的应用[J].施工技术,2017,46(23):21-23.

【4】沈小威,贾爽.三维激光扫描技术在建筑工程质量检测过程中的应用研究[J].中国高新技术企业,2016(35):153-154.

【5】臧伟,钱林,孙宝军,等.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].北京测绘,2015(3):130-135.

作者:蔡婷 单位:上海市民防地基勘察院有限公司

激光杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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