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摘要：本文对三维激光扫描技术组成、工作原理、技术特点以及在工程测绘中的应用作了简要分析。
关键词：三维激光扫描技术；工程测绘；应用
Abstract: In this paper, the working principle of 3D laser scanning technology for the characteristics of the system and gives a brief analysis.
Key words: 3D laser scanning technology; engineering survey; application
中图分类号：P25
引言：
近些年来，随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域。
1三维激光扫描技术
1.1三维激光扫描技术，采用非接触式高速激光测量方式，来获取地
形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终通过后处理软件对采集的云点数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型，以多种不同的数据格式输出，来满足空间数据库的数据源和不同应用的需要。
1.2系统组成
a.三维激光扫描仪；b.数码相机；c.后处理软件；d.电源以及附属设备。
1.3工作原理
三维激光扫描技术，通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标（云点），进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
1.4三维激光扫描技术特点
三维激光扫描技术，具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等优势，被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。通过与传统测量技术，如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析，主要有以下特点：
1.4.1非接触式。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，不需反射棱镜，直接对目标体进行扫描，采集目标体表面云点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，传统测量技术无法完成，此时三维激光扫描技术优势明显。
1.4.2数字化程度高 扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，易于处理、分析、输出、显示。而且后处理软件用户界面友好，能够与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。
1.4.3高分辨率。三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。
1.4.4應用广泛、适应性强。由于其良好的技术特点，在工程建设各
领域，应用广泛。对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量。
2三维激光扫描仪在工程测绘中的应用分析
2.1测量过程
可行性分析利用某个工程场地，是一个构造物的工程，具有一定程度的表面覆盖，但是不能过于密集。工程场地限定后利用地面上的特征标志物作为测量的标志，利用三维激光扫描仪进行标志物的三维坐标测量，随后利用全站仪扫描测量范围内的散点，作为测量的补充。可行性试验中设定的扫描范围为5cm，点云控制点扫描的间距则降至5mm，扫描时间的长短根据扫描参数确定，然后将数据进行记录并传输至计算机进行后续分析，得出测量成果并进行精度分析，这样就完成了对路面工程项目的测量。
2.2测量数据的初步处理
2.2.1对坐标进行好转换，利用系统配置的相应软件对测量的数据进行处理，取点云中测量标志的位置，一般经过标志点的扫描点距离较小且密度大，因为在测试中标志点的扫描点的点距为5mm ，其他部分则为5cm，因此可以很容易的区分标志点与其他位置。通过移动和旋转、放大在点云图上对标志点进行定位，标志出点的位置，输入各个测点标志的坐标，通过软件就可以计算出点云工程坐标的匹配精度。 在测量中工程点的不同位置经过精度转换获得了不同的精度，但是其精度都达到了要求。转换精度主要取决于采用全站仪、GPS的测量精度、标志点的测量精细度等。所以测量标志点应利用较高的精度进行联测，同时测量标志应小且清楚。
2.2.2数据的筛分，外业扫描中会获得大量的点云，但是这些点云并不是都能对工程测量有所帮助，如地表的点云等，利用其观测可以获得地面的坐标，但是有些测量过程是不需要此类点云作为参考的，如地表的植物。在处理软件中可以通过两种模式对这些不需要进入测量分析的数据进行筛选，如通过移动或者旋转、选择、删除等进行编辑完成对某些点云的筛选与去除；或者通过对不同高度的地表植物进行人为的区块划分，以此消除植物对测量的干扰，从而获得有效的地表坐标。但是此两种模式在实际应用中的效果并不是十分理想。利用滤波的方式对数据进行筛选可以更加有效的降低“噪声”干扰，以此获得更加有效的数据。
2.3测量的精度分析
2.3.1在分析三维激光扫描仪的测量精度的时候，首先应考虑其平面的精度，测试中有效扫描能精确测量的坐标点位较少，所以在扫描中随机性的布置了一些平 面的测量标志点，用测量仪考察其精度，所布置的平面点有55个，标志点在基础控点之上，利用2s级的全站仪对水平角度、垂直角度、测量距离等进行测量。每个工作点的扫描范围除了选择4个标志测点作为运点，并对其进行计算分析，其余的测点都作为对标志平面测量精度的对比参照。平面精度的测点设计了4个，经过分析比对后，其综合精度分析的结果是个点位的测量精度都在工程测量的允许范围内，可以作为工程参考。
2.3.2地形高程与断面精度分析，在测试中测量的高程点作为对三维激光扫描仪高程精度的考察依据，利用2s级全站仪测量了多个地形散点，也利用与散点位置相同的基础控点完成测量，对其水平角、垂直角等测量1测回，得到的结果其误差满足实际工程的需求。另外，利用此类方式对纵向与横向断面的精度进行了分析，在测试中扫描点云方的范围控制在桩高101个，横断面测量点102个，因为可以比较的桩高程数量不多，所以其精度也在四个工程测点内进行分析比较，其中产生的横纵断面的误差都在可以接受的范围内。根据工程中桩坐标和野外实际的中桩测量结果，截取地形变化的高程差异，将从三维激光扫描所形成的数学模型上截取的高程差与外业实际测量的数值进行比较，其误差的范围也在允许的范围内。
2.4总体精度分析
测试中根据测量的综合数据对采用三维激光扫描仪所采集到的数据和输出结果进行分析，总结影响三维激光扫描仪平面精度的因素是控制点测量的精度与控制点的面积，以及点云扫描的误差等。测试中的工作点都在一个基础控制点上设立测量点站，采用的是J2级别的全站仪测量其水平角度与垂直角、距离等1个测回，基础控制点的本身存在误差但对点云测量不会产生干扰。测量点之间的相对平面位置中误差可以经过计算获得。经过计算可以得出点云控制点的精度包括了测量精度、测量时标志的对点精度、点云面积误差等，经过比较分析，三维激光扫描所得到的精度较高。另外从测试的结果看，利用是三维激光扫描技术生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能够达到精密地图测量，以及纵断面和横断面测量的要求范围。
3结语
由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的 表面复杂的物体进行精细测量，所以其应用范围极广。对于三维激光扫描技术在工程测量领域的计算与应用将在现有成果的基础上，继续深入挖掘分析，尤其是在点云数据矢量化、模型化以及所得数据在其他软件平台的可用性应用方面进行研究。
参看文献：
[1]徐晓雄,刘松林,李白.3维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘,2009(2).
[2]张启福，孙现申.地面3维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘,2011(1).
[3]李兆堃，严勇.三维激光扫描在工程测量中的应用研究[J].苏州科技学院学报( 工程技术版),2009(1).
关键词：三维激光扫描技术；工程测绘；应用
Abstract: In this paper, the working principle of 3D laser scanning technology for the characteristics of the system and gives a brief analysis.
Key words: 3D laser scanning technology; engineering survey; application
中图分类号：P25
引言：
近些年来，随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域。
1三维激光扫描技术
1.1三维激光扫描技术，采用非接触式高速激光测量方式，来获取地
形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终通过后处理软件对采集的云点数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型，以多种不同的数据格式输出，来满足空间数据库的数据源和不同应用的需要。
1.2系统组成
a.三维激光扫描仪；b.数码相机；c.后处理软件；d.电源以及附属设备。
1.3工作原理
三维激光扫描技术，通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标（云点），进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
1.4三维激光扫描技术特点
三维激光扫描技术，具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等优势，被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。通过与传统测量技术，如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析，主要有以下特点：
1.4.1非接触式。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，不需反射棱镜，直接对目标体进行扫描，采集目标体表面云点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，传统测量技术无法完成，此时三维激光扫描技术优势明显。
1.4.2数字化程度高 扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，易于处理、分析、输出、显示。而且后处理软件用户界面友好，能够与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。
1.4.3高分辨率。三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。
1.4.4應用广泛、适应性强。由于其良好的技术特点，在工程建设各
领域，应用广泛。对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量。
2三维激光扫描仪在工程测绘中的应用分析
2.1测量过程
可行性分析利用某个工程场地，是一个构造物的工程，具有一定程度的表面覆盖，但是不能过于密集。工程场地限定后利用地面上的特征标志物作为测量的标志，利用三维激光扫描仪进行标志物的三维坐标测量，随后利用全站仪扫描测量范围内的散点，作为测量的补充。可行性试验中设定的扫描范围为5cm，点云控制点扫描的间距则降至5mm，扫描时间的长短根据扫描参数确定，然后将数据进行记录并传输至计算机进行后续分析，得出测量成果并进行精度分析，这样就完成了对路面工程项目的测量。
2.2测量数据的初步处理
2.2.1对坐标进行好转换，利用系统配置的相应软件对测量的数据进行处理，取点云中测量标志的位置，一般经过标志点的扫描点距离较小且密度大，因为在测试中标志点的扫描点的点距为5mm ，其他部分则为5cm，因此可以很容易的区分标志点与其他位置。通过移动和旋转、放大在点云图上对标志点进行定位，标志出点的位置，输入各个测点标志的坐标，通过软件就可以计算出点云工程坐标的匹配精度。 在测量中工程点的不同位置经过精度转换获得了不同的精度，但是其精度都达到了要求。转换精度主要取决于采用全站仪、GPS的测量精度、标志点的测量精细度等。所以测量标志点应利用较高的精度进行联测，同时测量标志应小且清楚。
2.2.2数据的筛分，外业扫描中会获得大量的点云，但是这些点云并不是都能对工程测量有所帮助，如地表的点云等，利用其观测可以获得地面的坐标，但是有些测量过程是不需要此类点云作为参考的，如地表的植物。在处理软件中可以通过两种模式对这些不需要进入测量分析的数据进行筛选，如通过移动或者旋转、选择、删除等进行编辑完成对某些点云的筛选与去除；或者通过对不同高度的地表植物进行人为的区块划分，以此消除植物对测量的干扰，从而获得有效的地表坐标。但是此两种模式在实际应用中的效果并不是十分理想。利用滤波的方式对数据进行筛选可以更加有效的降低“噪声”干扰，以此获得更加有效的数据。
2.3测量的精度分析
2.3.1在分析三维激光扫描仪的测量精度的时候，首先应考虑其平面的精度，测试中有效扫描能精确测量的坐标点位较少，所以在扫描中随机性的布置了一些平 面的测量标志点，用测量仪考察其精度，所布置的平面点有55个，标志点在基础控点之上，利用2s级的全站仪对水平角度、垂直角度、测量距离等进行测量。每个工作点的扫描范围除了选择4个标志测点作为运点，并对其进行计算分析，其余的测点都作为对标志平面测量精度的对比参照。平面精度的测点设计了4个，经过分析比对后，其综合精度分析的结果是个点位的测量精度都在工程测量的允许范围内，可以作为工程参考。
2.3.2地形高程与断面精度分析，在测试中测量的高程点作为对三维激光扫描仪高程精度的考察依据，利用2s级全站仪测量了多个地形散点，也利用与散点位置相同的基础控点完成测量，对其水平角、垂直角等测量1测回，得到的结果其误差满足实际工程的需求。另外，利用此类方式对纵向与横向断面的精度进行了分析，在测试中扫描点云方的范围控制在桩高101个，横断面测量点102个，因为可以比较的桩高程数量不多，所以其精度也在四个工程测点内进行分析比较，其中产生的横纵断面的误差都在可以接受的范围内。根据工程中桩坐标和野外实际的中桩测量结果，截取地形变化的高程差异，将从三维激光扫描所形成的数学模型上截取的高程差与外业实际测量的数值进行比较，其误差的范围也在允许的范围内。
2.4总体精度分析
测试中根据测量的综合数据对采用三维激光扫描仪所采集到的数据和输出结果进行分析，总结影响三维激光扫描仪平面精度的因素是控制点测量的精度与控制点的面积，以及点云扫描的误差等。测试中的工作点都在一个基础控制点上设立测量点站，采用的是J2级别的全站仪测量其水平角度与垂直角、距离等1个测回，基础控制点的本身存在误差但对点云测量不会产生干扰。测量点之间的相对平面位置中误差可以经过计算获得。经过计算可以得出点云控制点的精度包括了测量精度、测量时标志的对点精度、点云面积误差等，经过比较分析，三维激光扫描所得到的精度较高。另外从测试的结果看，利用是三维激光扫描技术生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能够达到精密地图测量，以及纵断面和横断面测量的要求范围。
3结语
由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的 表面复杂的物体进行精细测量，所以其应用范围极广。对于三维激光扫描技术在工程测量领域的计算与应用将在现有成果的基础上，继续深入挖掘分析，尤其是在点云数据矢量化、模型化以及所得数据在其他软件平台的可用性应用方面进行研究。
参看文献：
[1]徐晓雄,刘松林,李白.3维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘,2009(2).
[2]张启福，孙现申.地面3维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘,2011(1).
[3]李兆堃，严勇.三维激光扫描在工程测量中的应用研究[J].苏州科技学院学报( 工程技术版),2009(1).