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基础设施、传统测绘工程

发布时间:2016-06-01 访问量:


  三维激光扫描技术现已成为测绘领域众人皆知的一项技术,被称为是继GPS后的又一项新兴技术,它可以广泛地应用于测绘行业的各个领域,具有很大的经济价值,这些已经引起了广大科研人员的密切关注和相关研究。本文主要阐述了三维激光扫描技术的诞生、应用以及与之相辅相成的发展状况。

  1 引言

  测绘,是一门与我们日常生活密切相关的学科。是指对地表人工设施或者自然地理环境要素的大小、形状、空间位置及其属性等进行测定、采集等。

  三维激光扫描技术已在测绘领域的应用中发展了近十年,随着社会科技的发展,它已凭借着成本低、快速性、应用范围广、便于操作、主动性、高密度、全天候、以及非接触性等优势,解决了传统测绘技术的缺陷,它给测绘领域带来的变化也是极大的,它很好地改善了外业测绘的工作环境,提高了其工作效率。因此,对三维激光扫描技术的应用与发展进行研究具有极大的意义。

  2 三维激光扫描技术的诞生与其构成

  三维激光扫描技术是一种利用光进行目标探测和测距的技术,它可以直接获取被测对象表面点的三维坐标实现对被测物信息的提取,最终完成三维场景的重建。

  第一个具有现代意义的激光扫描系统是20世纪90年代美国俄亥俄州立大学制图中心(CMP)开发的GPS van,它可以自动和快速地采集陆地测量系统的直接数字影像;之后,加拿大卡尔加里大学和GEOFIT公司为实现高速公路的测量而设计开发了VISTA系统,它是一个机载激光扫描系统应用的实例;荷兰测量部门自1988年对通过地面固定激光扫描测量技术提取地形信息的技术进行了研究;日本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成与试验,并取得了良好效果。

  三维激光扫描技术的构成包括电子技术、全球定位系统及其相关软件等。

  3 三维激光扫描技术的主要特点介绍

  三维激光扫描技术被称为是一种“实景复制技术”。它利用激光的独特优异性能,能够深入到各种现场环境中对目标进行扫描操作,并将三维数据完整地采集到电脑中,最终快速准确得重构了被测物的三维模型。它具有如下一些特点:测量距离远、采样点速率高、点定位精度高、无接触测量(无需反射棱镜)、扫描目标无需表面处理直接获取其三维点云数据、数字化采集、兼容性好、软件功能齐全强大、能基本满足工程测量需要等。

  4 三维激光扫描技术在测绘领域的应用

  三维激光扫描技术为人们提供了一种全新的获取空间信息的方法。传统的人工单点获取数据精度差、速度慢,如今的连续自动化优点使其应用范围扩展到了工业测量、地形测绘、智能交通等诸多方面。其在测绘领域的应用主要有以下方面。

扫描厂区

  4.1在土方量和体积量计算中的应用

  根据地面激光扫描仪获取高密度的点云数据,再经滤波后可以生成目标对象的DEM模型,进而实现目标对象体积的测算。

体积量计算

  4.2在测绘采空区中的应用

  原理:激光扫描技术对地下采空区进行扫描测量作业利用,真实扫描数据进行采空区体积计算并制作三维实体模型。

  这种应用将矿山真实地搬进电子计算机,为未来矿区数字化提供有效依据及前沿性的研究探索。

扫描矿山

  4.3在文物、古建筑物测绘中的应用

  在古建筑研究活动中,用户需要关于研究对象的完整基础性数据,包括空间环境、古建筑自身、建筑细部等,研究工作主要针对这些数据展开。古建筑保护工作最基础的一项任务是对保护对象进行完整的测绘,并进行数据存档,以便日后研究或者复原、重建。如被称作易北河上的佛罗伦萨的德国巴洛克古城德累斯顿, 70%的历史建筑在二战中都被盟军的轰炸所摧毁,但是德国人在战后又奇迹般地将古城重建,大部分重建工作都是仰赖他们精确的测绘存档资料完成的。三维激光扫描技术是一项通过高密度的扫描点(点云)来表达和记录被测物体尺寸和形状的技术,点云是最原始的测量数据,被测物的三维几何信息都蕴涵在点云数据内部。如何利用点云,如何在点云的基础上通过软件来提取空间信息,决定了三维激光扫描技术在古建保护行业内的应用方式和成果形式。从对点云的应用方式来看,可分为档案记录型应用、尺寸量测型应用、三维可视化型应用和逆向重建应用。从最终的提交成果形式可分为二维图件形式(各种平、立、剖图,等值线图)和三维图件形式(三维高密度点云数据、三维CAD模型、三角面片格网)。因此,利用三维激光扫描技术进行古建的保护,目前主要集中在档案记录型及其三维可视化,而进一步的应用,特别是将扫描结果用于逆向重建等对古建保护具有重大意义的应用相对较少。

扫描古建筑的斗拱

  4.4在水利水电测绘中的应用

  水电站工程一般都坐落在深山峡谷,那里两岸山势陡峭,地形变化剧烈,测量困难,特别是遇到天气条件差的情况,航飞困难,而普通的光学遥感影响周期长,且受云量影响无法满足测量要求,精度很难保证标准要求,而且经济投入太大,人身安全也得不到保证,而三维激光技术出现,为水利水电测绘提供了新的解决方案。

扫描某大坝

  4.5在交通运输中的应用

  如今交通发达,但却存在着很多,安全隐患,对交通事故现场还原,可以很好地了解事故发生原因,对有效避免再次事故的发生有很好地作用。图1为2012年8月20日12时许重庆合川区到北碚区路段一面包车与货车相撞,造成至少12人死亡,1人重伤。交通事故现场数据由Faro三维激光扫描仪扫描获取,为交通事故的发生寻找原因。

 工作人员正在用Faro X330三维激光扫描仪勘测交通事故现场

  4  三维激光扫描技术在测绘领域的发展

  三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一。特别对于测绘领域来说,三维空间技术将和现代经典测量技术相互融合,作为一种新的空间数据采集手段,三维激光扫描技术将具有广阔的发展空间,成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段。

  三维激光扫描仪是测绘科学的领先产品,其发展与应用直接反应了三维激光扫描技术的发展状况。远程激光扫描仪可以用于岩崩、滑坡、河岸崩塌、矿山塌陷等危险的和难以到达地方的地形监测和方量计算,有效测控其变化范围和量级,有效应用于防灾减灾。中程激光扫描仪多用于船闸、大坝、桥梁等的变形监测。从整体来看,三维激光扫描仪基本涵盖测绘的各个领域,具备大面积,高自动化,高速率,高精度测量的特点。但是其自身还存在诸多缺点,如:三维激光扫描仪售价太高,难以满足普通化需求;精度、测距与扫描速率存在矛盾关系;由于各个厂家都自带软件,互不兼容,点云数据处理软件没有统一化;目前检校方法单一,基准值取复杂,精度评定不好,所以仪器自身和精度的校验存在闲难。这一系列问题的出现,告诉我们三维激光扫描技术有待继续发展与普及。

  5 总结

  随着激光技术、光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟,三维激光测量技术得到了不断提高和发展,越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更新的要求。

  同时,测绘技术的发展离不开新的科学技术的发展、新技术设备的应用、 新作业手段的变革,而随着高精度的测绘的网络化、智能化、信息化的普及和更新,会有更加方便人们的技术出现。总之,测绘必将得到长足的进步,并将拥有更加灿烂的未来。

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