地面三维激光扫描技术在其他领域中的应用

1、地面三维激光扫描技术的主要应用领域有传统测绘、文物保护、地质工程，在前面章节已经做了比较详细的阐述。地面三维激光扫描技术应用广泛，在矿业、林业、石化、数字城市、厂区土地规划、海洋工程领域也得到了一些应用。一、在矿业领域中的应用A.应用现状研究1.主要应用方向有：a.露天矿三维模型重构与测量b.井架变形监测c.开采沉陷监测d.建设用地复垦监测e.煤（石千）石山难及区域测绘f.滑坡体监测g.地下采空区变形监测h.数字矿山2.露天矿应用实例 1）.数据采集及数据处理。采用Leica HDS8800 三维激光扫描仪采集数据，三维激光扫描数据采集及处理流程：A.外业采集数据。Leica HDS8800可

2、以结合GPS作业，GPS获取测站及后视点坐标之后，HDS8800控制器及时地将大地坐标系纳入扫描数据，这样可以提高工作效率，避免控制点的重复测量。同时，Leica HDS8800具有2000米测程，以及全景扫描视场角度，可以在测站的位置上获取最大的数据。 B.点云数据拼接。Leica HDS8800标配软件I-Site Studio，软件可以提供坐标拼接、点云拼接等工作。如果在扫描数据的同时结合GPS测量点位，那么扫描的数据直接就是在大地坐标系内，哈尔乌素露天矿原始点云数据如图1所示。C.点云数据建模，生成DEM。在拼接好的点云数据基础上，利用软件进行噪音数据取出，软件提供了多种噪音过滤器，包

3、括有距离过滤、角度过滤、面过滤、离散点过滤、边缘过滤等。剔除噪音数据经过抽吸处理后，如图2。再利用软件对数据进行快速建模，生成DEM，并获得露天矿三维模型，如图3。2）.三维模型在矿业中的应用。A.等高线、断面线、坡顶线、坡底线等的提取。在三维模型生成之后，可以提取断面线，如图4。等高线，如图5。以及露天矿中开采台阶的边帮坡顶、坡底线，如图6。同时可以在三维模型中任意获取台阶坡面角、台阶高度、台阶宽度、方便采矿专业设计。在三维模型中可以任意计算开采量，用于设计产量和核算产量。B.产量核算。在霍林河露天矿中，利用Leica HDS8800三维激光扫描仪对电铲的工作量进行核算，方法如下：首先将Le

4、ica HDS8800三维激光扫描仪架设在电铲工作台阶之上的台阶，当电铲开采之后装入运煤车的前后对运煤车进行扫描，即对空车进行扫描，如图7。然后电铲装车之后再次扫描，如图8。每次扫描时间不到半分钟，最后利用点云数据迅速建模，两次不规则曲面的差值便为装载数，如图9。C.分析岩层与煤矿层高度。在黑岱沟煤矿中，利用Leica HDS8800三维激光扫描仪对开采面精细扫描，采样密度为10mm/100m。在点云数据的基础上，将Leica HDS8800扫描仪内置7000万像素相机拍摄的照片附加在点云数据或者三维模型上面，可以清晰地分辨岩层，同时基于数据获取各层的标高及差值，方便采矿人员的设计，叠加照片的

5、三维数据如图10。在附加彩色信息的点云数据或模型的基础上，利用软件获取各层面的走势图，如图11。利用Leica HDS8800针对露天矿的外业数据采集，360获取空间点云数据，能够提高外业数据采集效率，提升内业数据处理精度。同时，丰富的数据不单为测量提供了可靠保证，更为矿山数字化、采矿设计、爆破提供了准确有效地三维实景。在如此精确的三维模型上，可以让不同专业的人士得到不同的需求。二、在林业领域的应用1.应用研究现状。目前，国外许多林业科研工作者就三维激光扫描技术在林业方面的应用进行了深入探讨。研究内容主要集中在测树因子的获取。林分结构研究以及单木三维重建等方面，并获得了不同程度的成功。 与国外

6、相比，地面三维激光扫描仪技术在我国林业领域的应用相对较少，目前仅局限于基本测树因子获取和单木三维重构两个方面，主要原因：一是三维激光扫描系统属于高精密度仪器，成本高昂，目前仅在少数研究项目中使用，并未在林业调查部门普及；二是该技术在数字林业建设中的应用前景还没得到足够重视，缺少必要的尝试。2.林业测量应用实例。传统方法获取林分因子是通过皮尺或者钢尺量测树干的周长，利用林分速测镜量取树木的高度及任意位置处的直径，这样的方法不仅使外业测量速度慢，还增加了工作人员的劳动强度，而且在进行树木高度测量时受外界环境影响很大。最重要的是外业测量数据获取的精度并不高，影响了整体林业蓄积量调查的精度。地面三维激

7、光扫描技术作为一种高新科技，在森林资源调查、林分结构研究、单木三维结构建模等方面有着巨大的应用潜力。一方面，其作为一种能快速，有效获取测树因子的新方法，在丰富现有林业资源调查手段同时，还拓展了测树空间；另一方面，该技术能对反映林分实时、动态变化的树冠特征以及林分结构等信息进行有效捕捉，并能提供高分辨率的三维点云影像图，进而有助于我们建构精准的单木三维模型。徕卡测量系统贸易公司与南京林业大学研究人员共同合作，利用徕卡C10 扫描仪对南京林业大学试验林进行扫描，利用Leica Cyclone 软件对数据进行提取、整理、计算。主要技术过程如下：1.扫描前准备工作。对要进行扫描试验林进行踏勘，确定进行

8、扫描的测站位置、所需的测站数、扫描的路线以及标靶安放的位置。2.扫描过程。利用Leica C10进行机载控制，直接对实验林点云数据进行获取。操作过程中采用中等扫描密度（100m处点间距为1cm X 1cm）进行扫描，并利用扫描仪内置数码相机进行拍照，为室内研究提供更多可能用到的数据。3.数据预处理。利用徕卡提供的Cyclone软件进行内业数据的拼接及信息的提取。将四站数据合为一体将会得到实验林的完整数据。此次研究，要求精度较高，而且要求速度要快，所以选择了标靶拼接这种模式。4.研究数据提取。对拼接完成的数据进行去噪处理，提取需要进行研究的区域。A.胸径、树高提取。从树林扫描数据中任意分割提取有

9、限株单独树木，首先进行人工去噪处理，然后就可以利用Cyclone中的Survey模块对单株树木进行胸径、树高以及树冠投影到地面上的面积等进行提取。提取过程：a.分割出一部分点云数据，保证点云里必须包含至少一株完整的树木信息。b.进行人工去噪处理。因为点云显示是空间的，所以在Cyclone中我们可以进行任意角度的旋转查看，通过不断的变换视角，进行点云去噪，可以方便准确的得到我们所需要的单株树木的点云数据。c.胸径的提取。胸径是指在树木（林业上称为样木）的1.3m处量其直径。根据定义我们可以通过点云查看数据与地面接触的位置，从而确定一个最为合适的基准点来确定胸径的位置。以基准点所在水平面为基准建立

10、水平参考面，如图12。在Z轴正方向按照1.3m的间距对水平参考面进行偏移，就得到了胸径的位置所在。以水平参考面为基准做厚度为0.1cm的切片，根据点云做最佳拟合，得到胸径的值=0.180 X 2=0.36 m。d.树高的提取。在Modelspace窗口中的视图模式中选择“正射视图”，在主视图中找到树木的最高点，以最高点位基准建立参考平面。利用Cyclone提供的量测功能就可以得到基准点到最高点所在参考面的高度，如图13。B.树林中单株树木位置信息的提取。此次测量没有将坐标系统引入到已知大地坐标系统中去，所以此次得出单株树木位置坐标也只是在测量时使用的假定坐标系统中，但这都不会对计算过程产生影响

11、。 先确定进行单株树木位置信息提取的区域，对所选取区域点云数据进行去噪处理，得到比较完整的点云。再根据点云确定一个最接近地面的水平参考面，如果要求的范围误差较大，我们可以对整个区域的树木确定一个水平参考，如果要求的精度高，我们就需要对单株树木确定参考面的位置，以前一种情况为例，根据点云可以找到一个最切合四株树木的参考面位置，如图14。以水平参考面为基准做厚度为0.1cm的切片，得到了四株树木参考面处的切片点云，根据点云做最佳拟合，得到四个圆，找到每个圆圈的圆心位置并创建圆心点，并标记每个圆心的平面坐标，如图15。综上，利用三维激光扫描仪进行林业调查，在外业扫描工作中节省了大量的人力、物力，减少

12、了外业作业时间，减轻了劳动强度。在内业工作中可以根据真实的三维坐标对单株树木进行胸径、树高以及位置信息提取，大量点云数据保证了数据的全面性，以及成果的准确性。三、在石化领域的应用1.应用研究现状。石化企业具有现场占地面积大，装置高，设备管线排布复杂等诸多特点。采用传统方法进行这样的大场景扫描时，往往会造成较大的累积误差，使用扫描加控制网的方法可以解决此类难题。即在扫描区域内布设3个或3个以上标靶，通过全站仪取得这些标靶的坐标，然后通过控制网将所有的单站扫描结果拼接在一起最终形成了完整的扫描场景。2。应用方向简介。石化企业中设备错综复杂，管道纵横交错，要管理的对象在空间上密集排列，通过二维符号或

13、线条描述方式已显得束手无策，而三维激光扫描技术可以快速、准确便捷的获取石化装置的实物（设备、管网、框架）的三维空间信息，在石化企业具有广阔的应用前景。A.装置设备管理。在石油化工企业中，高耸的炼塔是加工化工原料、提炼各种产品的主要设备，是企业工作生产的灵魂。利用三维激光采集技术，实现石化装置的而各种设备的空间信息（X、Y、Z）和属性信息（基本参数、运行参数、检维修参数等）的地理信息系统动态管理，直观的显示现场场景、真实的空间和属性数据，使管理人员既能直观的观察现场情况，又可以掌握各类属性信息，石化装置三维模型如附图16。a.为操作员提供了装置现场环境的空间视觉真实感受。目前操作员岗位学习局限在

14、书本、图纸资料、现场培训，增加装置三维立体图的学习和应用，通过实物的三维空视图可以更加直观、方便、快捷的了解掌握装置的工艺流程，从而提高了操作员岗位培训的实效性。b.为设备工程师提供了设备管理，更新维护的新思路，目前，设备工程师对设备的管理和更新维护局限在图纸资料，平面操作图以及现场查询，增加装置三维立体图的应用，使设备工程师能更有效的，更精确的使用和维护设备。利用装置三维立体图，设备工程师能在计算机中灵活查询管线，反应塔，阀门，仪器设备的形状，数量，尺寸及分布，直到每一个弯头的走向，并可以在计算机中完成管线，弯头，仪器设备的更换与设计，避免了更换，设计中容易忽略的要素，使其尺寸，形状更符合要

15、求，并大大的减小了劳动强度。c.为安全管理员展示一幅数字化工厂安全管理图。利用三维立体装置图可以全面掌握、浏览安全防护设备的安放点，一旦确定危险源或事故隐患发生险情，能够显示危险源和事故隐患点周边环境，实时显示撤离通道，消防通道，安全通道，救援通道等信息，从而及时快速的全面掌握装置的各种安全因素，提高安全管理水平。B.管网系统管理。石化企业的管道与市政管线或其他行业厂区管线相比，具有以下特点：a.管线种类繁多，特性各异。石化的物料管道按照用途可分为蒸汽，氦气，氨气，汽油，重油，火炬气，乙烯等70多种。有的还有伴热管和覆盖层。b.管线多在地面以上的周边架设了各类支撑结构。石化企业的物料管道一般都

16、在空中架设，离地面5米以上，沿线必须有管架，弦，斜撑，横梁等共同伴随支撑。c.管线重叠覆盖，缠绕交错，空间关系复杂。支撑管道的管架一般分为2至5层，在管架上架设的管道也是分层的，在某一层次上，不同类型的管道并列排布，从俯视的角度来看，管道的平面图是重叠的。很多管道并不是始终处在一层，而是上下转折的，在层间起伏，有的管道中途转向，从而形成管道复杂的缠绕。石化企业管网现场如图17。目前国内的石化企业，对这些管架和各类线路的管理手段还停留在纸质的图纸和资料中，传统的管理方式已经完全不能满足企业发展的需要，应充分利用三维激光扫描技术获取平面上重叠，高程不同的管道信息，体现管道在管架上的实际情况，为管网

17、的精细化管理提供技术支持。四、工业三维GIS应用实例1.项目概述。工业领域的三维GIS，突破性的把区域性的工厂和大范围的地理信息紧密的结合在一起，即可使真实存在于空间位置的工厂准确地表达出其自身与空间的位置关系，也可使在大场景下的小区域能得到精细的表达。其对于工厂的意义在于：工厂自身很难处于一个相对独立和封闭的空间内，多多少少都会以不同形式与外界联系，如交通（公路，铁路），能源及物料的传送（水，电，油，气）等。对于制造类企业而言，交通即是生命的联络线，面对与加工于加工类企业来说，输送线则是最为直接的生命线，这一点在能源处理企业中尤为突出，如输变电站，油气加工厂的输入和输出管线。 随着GIS应用

18、的深入，人们越来越多的要求从三维空间来处理问题。在三维GIS中，工厂的表达一直以来都是难题，因其要求的精度高，、模型体量大、表现效果好等前提条件使得很多国际一线的GIS系统都无能为力。北京则泰集团公司自主研发的TopoGIS平台将关注重点放在了“在大场景下高精细表达大体量精细数据”上，提出以三维激光扫描仪采集的设备及管线的真实三维数据为数据层，并基于此建立以空间分析、展现查看、运行管理等功能的应用，层为系统主体的综合管理平台，来解决工业上的相关问题。2.数据获取及处理。A.外业数据扫描。中远距离的三维激光扫描仪，一般的测量误差最大在5mm左右，当进行大场景扫描时，往往因为误差的累积，使精度达不

19、到要求。因此，对于较大场景，同时又有较高精度要求的情况下，例如对工厂，大型钢结构扫描时，要提高三维激光扫描的整体精度，可联合常规测量手段，通常我们使用全站仪控制整体精度，厂区内可以找到永久性控制点，测量工作遵循“先整体后局部，先控制后碎部，由高级到低级”的原则来组织实施，首先在测区范围内全盘考虑，根据永久性控制点布设若干个有利于碎部测量的点形成厂区临时控制点，然后再以这些点为依据进行碎部测量工作，这样可以减小误差累积，使测区内精度均匀。若要对炼化设备进行扫描，使用Leica HDS6200在扫描距离50米内形成模型表面精度为4mm，25m内精度为2mm，现场扫描如图18。由于被扫描物体较大，可

20、采取分块多测站的形式，分层次对物体进行扫描，通过实验验证，当物体形状比较复杂时，为保证拼接的准确性，应使相邻测站扫描的对象具有一定的重叠度。B.数据处理。由于炼化设备是以分块多测站的形式扫描的，每个测站扫描后所得到的点云都是以测站为坐标原点的独立坐标系下的点云，为使所有分站扫描得到的点云可以划归到同一地理坐标系下，就要对扫描数据进行拼接。由于扫描的角度和位置问题，如果直接利用特征点进行拼接，点云的拼接精度较低，这样将直接影响设备的量测和建模可靠性，利用先拟合特征平面然后在特征平面的基础上再加入点云约束的方法进行拼接，将会对拼接精度有一定改善。为解决拼接精度问题，先利用全站仪进行控制测量，通过精确测定，将得到扫描仪可识别的球形标靶中心位置的地理坐标导入到处