地面三维激光扫描技术在传统测绘中应用

地面三维激光扫描技术在传统测绘中应用第一页，共44页。随着地面三维激光扫描技术的快速发展，在传统测绘领域应用研究越来越多，主要应用领域有大比例尺地形图测绘、土方和体积测量、监理测量、变形监测、工程测量，本章对这些应用领域做简要介绍。第二页，共44页。一.大比例尺地形图测绘应用研究现状传统的地形图测绘是利用全站仪、GPS接收机等仪器进行野外采点。HDS技术来自测绘领域，其最基本的应用之一就是地形图绘制。与传统手段相比，它具有高效率、细节丰富、成果形式多样、智能化、兼容性强等优点。在地形测绘中，三维激光扫描仪及后处理软件，只经过简单的几个步骤就可以轻松获取大比例尺的地形图。第三页，共44页。1.扫描。首先根据现场地物形状和环境以及三维激光扫描仪的有效测程合理布设扫描仪的站点，然后在每个站点根据后续成图的需要设置合适的分辨率进行扫描。在扫描过程中可以通过在已知点设站或控制扫描标靶的方式，将每个站点与地理坐标的关系约束好。2.数据拼接转换到地理坐标系。把多个站点扫描的数据通过软件拼接到统一的地理坐标系中，Cyclone软件支持灵活的地理坐标转换功能，可以简便的将所有站点一次放入地理坐标系中，从而统一坐标系。3.构造TIN网。通过软件的功能，进行植被或建筑物剔除，然后生成TIN网，并可对TIN网进行平滑或优化。4.构建等高线图。基于TIN网，给出等高线的间隔，等高线会自动被生成。第四页，共44页。尽管地面三维激光扫描技术在地形测绘方便取得了一定的应用成果，但还存在主要问题：1.由于仪器价格昂贵，测绘企业拥有率较低，加之有些技术问题未很好地解决，目前应用较少。2.目前还没有一套完整成熟的基于点云数据的地形图测绘软件，在成图过程中需要交互使用到多种不同软件。3.如何实现点云数据中地形特征点的自动或半自动化精确提取，将是地面三维激光扫描技术应用于地形测绘过程中需要长期进行研究的课题。第五页，共44页。4.如何自动化或半自动化剔除点云数据中的非地貌数据，是等高线生成中急需解决的问题。5.当地形高低起伏遮挡情况比较严重时，容易出现数据“黑洞”，形成局部数据缺失。除了多设测站争取保证测区数据完整外，也可研究将近景摄影测量与地面三维激光扫描相结合的方法，来解决局部扫描数据空洞的问题。第六页，共44页。二.土方和体积测量传统的土方量计算手段有全站仪法和GPS法。传统的方法都需要采集相当数量的采样点，数据采集的时间比较长，外业人员比较辛苦。三维激光扫描速度与精度的优点使得它可以测量和监测土方填充的体积，就可以得到需要填充的土方量，在采矿或采石时，通过三维激光扫描仪可以获得矿的体积，而这种技术相对于传统测量技术而言，速度快，精度高。第七页，共44页。三.监理测量从技术规范上讲，监理测量和施工测量没有太大区别，但两者的功能和目的决定了两者的区别。施工测量侧重于测量的技术职能，而监理测量更侧重于测量的管理及评价职能。从监理测量的属性和目的来看，监理测量更要把握测量的效率和可靠性的统一。传统监理测量采用和施工测量同样的技术手段进行抽样测量，利用统计学理论对测量成果进行评价，这就会产生一个矛盾，如果采样不足就会影响到成果评价可靠性，反之会影响成果评价的效率。三维激光扫描技术的出现让测量监理看到了曙光，它的高效率和全面的特性能有效解决监理测量中的瓶颈问题。三维激光扫描是真实场景复制，资料具有客观可靠性，可作为施工单位整改的依据。第八页，共44页。监理测量应用实例：1.船坞工程监理应用实例。北京则泰集团等单位对三维激光扫描技术在工程领域内的应用研究进行了有益的尝试。以中国海运江苏造船基地3#船坞工程为例进行了研究，工程项目位于江都市长江下游，是特大型水运工程，将徕卡C10三维激光扫描仪应用到监理测量中，内容如下：a.桩位检测。工程桩是工程结构的重要组成部分，如图1，而桩位偏差检测是其安全与质量评价一项重要指标。本工程管桩共计8000多套，如采用全站仪加水准仪单点采集桩位的三维坐标信息，工作量将十分巨大并且影响后续流水作业施工。采用三维激光扫描技术对整个群桩进行扫描，对管桩点云进行拟合获取桩位中心的三维坐标信息。这样不仅减轻了工作量，而且因不接触被测桩身不影响后续施工，从而节省了工期。第九页，共44页。第十页，共44页。b.平台板平整度及坡度检测。本工程平台板及坞底板如图2，面积达50000平方米，若采用水准仪测量其平整度及坡度颇有难度，特别是要在平台板上定出具有平面坐标的点并反算出设计高程，这样的工作是比较艰巨，并且抽样的点并不能代表整个平台板平面，不能指导施工单位的补救整改。而采用徕卡C10扫描仪对整个平台板扫描后，可获得整体平台板等高线，整个平台板三维信息一目了然，通过定期观测还能得出整个平台板的沉降信息。c.土石方测算。本工程的土石方量十分巨大而且有重复运，临时挖运等复杂情况，传统的土石方测算依靠地形图，而地形图是静态的不适应动态化施工。采用徕卡C10扫描仪可以随时进行扫描并能准确计算出土方量，极大地维护了业主和施工单位的经济利益。如图3、4。第十一页，共44页。第十二页，共44页。d.坞门底座平整度检测。坞门底座如图5所示，是本工程的关键工序之一。坞门底座的平整度是否达到设计要求是坞门能否紧密闭合的关键因素。因此，对于坞门底座平整度相对精度要求很高，采用徕卡C10扫描仪对坞门底座进行高密度扫描，并提取点云的三维坐标信息，通过和设计高程的比较分析，能够给施工单位一个完整准确的整改意见。可以说，是徕卡C10三维激光扫描仪在本工程关键工序把好了一道关键的质量关。e.坞口钢支撑体系，如图6，是整个坞口安全开挖的保障，而且整体的变形的敏感度非常高，施工现场也比较危险。为保障坞口的顺利安全开挖，采用徕卡C10三维激光扫描仪对钢支撑体系进行全景扫描，并通过建模分析对比掌握整个钢支撑变形情况，为坞口安全信息化施工提供了有力的保障。第十三页，共44页。第十四页，共44页。2.钢结构检测应用实例。a.项目概况。随着三维激光扫描仪的发展，三维激光扫描技术在构筑物钢结构有多个方面的应用，如钢结构精度检测、房屋结构装修设计、大型钢结构控制安装、玻璃幕墙的扫描安装等。2012年10月，由山东金鹏钢结构幕墙公司、徕卡测量系统贸易公司利用LeicaScanStationC10对山东金鹏大型钢架房梁进行了扫描，并采用徕卡Cyclone软件、COE插件、Cloudwork插件及第三方软件对数据进行了处理。b.外业数据获取。钢架结构呈圆环状，半径12米，结构较为复杂。根据实地勘察3站扫描即可获取大部分点云数据，点云拼接采用标靶拼接模式以保证拼接的质量。扫描过程20分钟，共计扫描3站采用中等密度扫描模式，获取点云丰富真实，如图7为钢结构点云图。第十五页，共44页。第十六页，共44页。c.数据处理流程：①.基本处理及建模。将点云数据导入徕卡Cyclone后处理软件中，利用拼接模块将3站点云拼接到一起，误差不超过2mm，提取目标点云，即钢架结构点云，再将地面及其他噪音删除。因为在后面精度检测中可直接利用点云，可以将点云直接导出并命名为“PointCloud”，利用Cyclone后处理软件建模模块还可以将点云直接进行建模，用作展示或生成二维线划图，如8。②.客户设计模型格式转化。客户设计模型是在其专用设计软件中完成的，如果其格式与第三方软件不通用，可以利用徕卡COE插件将其转化为其他格式。由于此设计模型为DWG格式，直接利用CAD另存为DXF格式后，第三方软件在显示过程中出现了错误，所以利用徕卡COE插件将其转化为第三方软件可识别的三维DXF格式，命名为“Model”。③.钢架结构生产检测。将钢架结构点云数据“PointCloud”和转化后原设计模型“Model”导入第三方比测软件中。第十七页，共44页。第十八页，共44页。如图9为转化模型导入第三方软件。第三方软件中有一项自动对齐功能，利用此项功能将两个数据进行自动特征匹配。第三方软件中的匹配模式还包含手动匹配以及手动自动相结合的模式。匹配过程不需要太多人工干预，这样能减小人为误差影响。匹配完成以后，第三方软件有三维检测工程，按照设定的参数，两个数据自动进行比较，并用不同色带显示不同位置偏差量的大小。山东金鹏加工工艺较高，通过自动比较，最大偏差值在1cm左右。如果实际操作过程中有规定值，即可把规定限差值输入到上下最大公差处，在后期报表中就会以此数值为标准，自动判断不同位置处焊接拼装钢结构是否符合建造标准。如图10为自动比较成果。如果需要，软件还能将各检测位置处最终结果生成报表形式，报表的格式按照自己的需要进行设置即可。导出的格式也是多种多样，如PDF、WORD、EXCEL等。第十九页，共44页。第二十页，共44页。将地面三维激光扫描技术引进到工程监理领域既拓宽了三维激光扫描技术的应用范围，同时也为测量监理增加了新的工具和技术手段。利用三维激光扫描技术对施工现场的实景复制并网络共享可以实现施工管理和监理的信息化。三维激光扫描技术克服了传统测量以点代替面，抽样代替总体的缺点，客观真实地再现了测量成果，极大地提高了这些成果的评价可靠性和应用价值。提高生产精度、速度的同时，最大效率的保证了工程质量，节约了生产成本。随着应用的深入，三维激光扫描技术将是测量监理不可缺少的一种技术手段。第二十一页，共44页。4.变形监测自然界的变形危害现象很普遍，如地震、滑坡、岩崩、地表沉陷、火山爆发、溃坝、桥梁与建筑物的倒塌等。传统的变形测量方式是在进行变形监测时，需要再变形体上布设监测点，而且点数有限，从这些点的两期测量的坐标之差获得变形，精度很高（一般可以达到毫米级）。但从有限的点数得到的信息也有限，不足以完全体现整个变形体的实际情况。而地面激光扫描仪可以以均匀的精度高密度的测量，测量的数据可获得更多的信息。目前，变形监测采用多种技术手段，相关方法及理论研究都已比较深入，形成了相应的技术及理论体系。第二十二页，共44页。地面三维激光扫描系统作为一种全新的测绘系统，它具有许多新的特性和功能。将三维激光扫描部分应用于变形监测时，最常用的方法一是将点云数据借助于计算机软件来处理，用点、线、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来，重建实体表面模型，然后对表面模型进行求差处理；二是采用重采样（配准）后的地面三维激光扫描数据进行差分运算然后比较变化。

变形监测的最大特点是精度要求高，因此，能否应用三维激光扫描技术进行变形监测主要取决于三维激光扫描仪的测量精度是否能够达到工程要求。此外，和现有变形监测技术相比，该项技术是否具备一定的技术优势也是决定其应用范围和层次的重要因素。第二十三页，共44页。三维激光扫描仪能提供视场内的、有效测程内的、基于一定采样间距的采样点三维坐标，并具有较高的测量精度和极高的数据采集效率，与基于全站仪或GPS的变形监测相比，其数据采集效率较高，且采样点数要多得多，形成了一个基于三维数据点的离散三维模型数据场，这能有效避免以往基于变形监测点数据的应力应变分析结果中所带有的局限性和片面性（以点代替面的分析方法的局限性）；与基于近景摄影测量的变形监测相比，尽管它无法像近景摄影测量那样能形成基于光线的连续三维模型数据场，但它比近景摄影测量测量具有更高的工作效率，并且其后续数据处理也更为容易，能快速准确的生成监测对象的三维数据模型。这些技术优势决定了三维激光扫描摄像技术在变形监测领域将有着广阔的应用前景。第二十四页，共44页。三维激光扫描技术在越来越多的现代监测中扮演着重要角色，大型建筑物监测包括桥梁、大坝、隧道、边坡、矿井、建筑、海洋石油平台、油气管道等大型结构的长期健康监测和灾后的变化监测。三维激光扫描技术在完整获取大面积监测目标数据方面有着巨大优势：数据获取速度快，实时性强；数据获取全面，精度高；全天候作业，不受光线影响，主动性强；数据表达简单，清楚明了。将地面三维激光扫描技术应用于工程项目的变形监测项目，成果主要体现在以下四个方面：1.建筑物变形监测2.桥梁变形监测3.隧道变形监测4.地表变形监测第二十五页，共44页。变形监测应用实例：山体变形监测应用实例：徕卡测量系统贸易（北京）有限公司研究人员利用ScanStationC10三维激光扫描仪，以两次扫描点云数据为例，探讨利用徕卡滑坡变形监测软件及时预判滑坡量及监测其移动趋势的方法。a.项目概述。2010年9月2日，山东济南南部山区黄土岭由于土质疏松并受强降雨影响，发生了小范围山体变形，而紧邻黄土岭下方是一处小型水库。根据国土部门工作人员测算，万一山体发生坍塌，将有15万m3的土落入水库，而水库只有6万m3的库容量，水库里的水会马上溢出大坝，对下游的簸箕掌村构成威胁。第二十六页，共44页。b.形变山体点云数据获取。分别于2010年9月2日9:00和9月3日16:00在同一远离山体位置架设仪器，扫描形变山体相同区域，获得了此次研究的三维监测数据。由于此次山体滑坡范围小，只有30~40m，所以单站扫描即可获得全面的点云数据。如果形变区域较大，可以进行多站扫描，并利用徕卡提供个标靶对多站数据进行高精度拼接以获取形变区域完整点云数据。c.山体滑坡风险评估。利用扫描仪获取的形变山体点云数据，可以对灾害造成的最大影响进行粗略评估，为应急预案的提前制定提供数据参考，最大程度降低灾害造成的负面影响和对人员的伤害，并有效的控制成本。针对此次山体滑坡，利用徕卡滑坡监测软件中土方计算功能，模拟并得出了此次形变最大的滑坡量为15万m3，根据下游蓄水池的储水量，如果发生滑坡，4万m3的水将瞬间冲出大坝，威胁下游人员财产安全。第二十七页，共44页。d.山体形变监测。分别对两次扫描的点云数据命名为Finallofscan-0910和Finallofscan-0940，扫描电云数据如图11。点云既包含位置信息X、Y、Z，还包含了不同地物反射强度信息Intensity以及色彩信息R、G、B。数据导入变形监测软件后，根据色彩信息和反射率信息，分别利用自动和手动模式对山体表面植被及其他地物进行去噪处理，得到精确的地表数据，然后分别对地表点云进行三维建模，得到两次扫描的地表模型，分别命名为FinallTIN-1、FinallTIN-2，地表模型如图12所示。以两次扫描的位置信息作为模型比较的标准，将FinallTIN-1和FinallTIN-2导入徕卡滑坡监测软件中，利用参测数据对比命令对两表面模型进行自动比对，形变区域将会用不同颜色显示不同对比量，如图13.而且能够自动生成报表，对形变大小范围进行统计，两次数据对比结果报表如表1。通过两天两次扫描对比结果、报表数据统计，可以清楚得到山体形变的范围及形变的大小。第二十八页，共44页。第二十九页，共44页。第三十页，共44页。从上述比较中可以得到黄土岭测量范围中绝大部分形变在2cm以内，占整体扫描数据的96.04%，部分位置产生了大于2cm，小于5cm的区域位移。根据现场地质工作人员所调查的实地土壤黏度、高差、水流等情况，并附加仪器误差等因素的推算，可判断，对于未加固的黄土质山坡，2cm以内的变化在安全范围以内，但需要每天连续的观测，直至山体达到稳定。针对大于2cm的形变，除去测量误差，去噪误差等因素，可能是山体滑坡产生的变化，还需要进行蓄水池排水、坡底加固、下游簸箕村人员疏散；另外，考虑近期雨水过多，还要在山坡一侧修建一道水渠。e.徕卡滑坡监测软件对山体形变监测趋势的模拟。徕卡滑坡监测软件不仅能显示两次测量对比结果，根据变形的趋势，监测软件还能对山体形变以后的趋势进行模拟，根据实际需要，设置几个参数即可实现，形变模拟如图14。第三十一页，共44页。第三十二页，共44页。沙漠监测应用实例

：河南理工大学，北京泽泰集团公司与杰魔软件有限公司研究人员共同合作，对沙漠中的河道进行了监测研究。1.项目概述。多年来土地荒漠化、沙尘暴等自然灾害给国家造成了重大的经济损失，其中，土地荒漠化作为全球十大环境问题之首，已成为当今社会普遍关注的热点问题。因此，对沙漠的监测刻不容缓。传统的变形监测方法由于采样点少，很难反应变形的全部特征，且耗时费钱，不适合用于沙漠监测。三维激光扫描技术是目前国际上最先进的测量方法之一，三维激光扫描仪可以快速的以毫米级采样间隔获取实体表面点的三维坐标并以点云数据的形式存储到计算机中。它可以快速建立目标的三维模型并提取线、面、体等制图数据，实现实景复制。实验是将三维激光技术与沙漠监测有机的结合在一起，大大提高了工作效率，三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，可以获取高精度高分辨率的数字地形模型，通过对比，实现对沙丘的移动监测。第三十三页，共44页。2.监测技术流程。a.现场环境扫描。本次试验将选择一个比较典型的区域即沙漠中的河道，进行两次对比扫描。现场环境如图15。第一次扫描时，需要考虑设置永久性控制标靶。控制标靶是拼合各次扫描点云的基准点，也是网格坐标与仪器内部坐标的转换媒介，其位置必须保持稳定。考虑到沙漠地区干旱多风，将固定点（如树木）作为控制点虽稳定不变，但对于扫描的整体控制并不合适（原因一是精度不能达到标准；二是固定点数量稀少，所在不一定为两次数据拼接的公共最佳位置），因此，选择在几个重点位置打深桩设置若干个标杆，以确保不受大风、沙丘流动等可变因素干扰，再以其作为控制点对要监测的区域进行高精度扫描。相隔若干天后，或者一次大风等剧烈的天气变化后，用同样的仪器，设置同样的精度，对同样的位置根据第一次的控制点进行第二次扫描，将扫描后的点云数据存入计算机进行后期处理。第三十四页，共44页。第三十五页，共44页。b.数据拼接及坐标转换。由于所获得的不同视角的20幅扫描点云数据都是以扫描仪位置为参考点的独立坐标系统，因此必须对所获取的扫描点云数据进行拼接及坐标转换使扫描数据坐标与大地坐标一致。在处理软件Cyclone7.1中，对所获得的扫描点云数据进行拼接。利用Registration模块选取相邻两站扫描点云数据中的3处公共点（至少3个不在同一直线上的标杆），由处理软件自动计算，将两站数据以最小误差拼接起来，拼接误差结果可以在软件中查询。利用这种方法就可以把多站不同位置获得的点云数据拼接成一个完整的三维点云数据，如图16、17。第三十六页，共44页。第三十七页，共44页。整个拼接好的点云数据坐标是以第一站导入数据的局部坐标为基准的相对坐标系统，为使点数据坐标与大地坐标一致，需使用GPS对控制点进行测量，得到其大地坐标，将得到的特征点的地理坐标，导入到Cyclone软件中，形成一个具有地理坐标系的ScanWorld，然后以此ScanWorld作为基站，将拼接好的点云数据与基站再次拼接，从而完成相对坐标系向大地坐标系的转换。c.数据后续处理。数据后续处理就是对三维数据进行去噪。外业扫描时，点云数据中采集到了现场施工时的施工器械、标杆、工作人员、电线、植被等信息，这些都是后期处理的干扰信息，对于这些点云数据应尽可能的删除。第三十八页，共44页。对去噪完成的点云数据进行模型化，将点