三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)已成為測(cè)繪領(lǐng)域眾人皆知的一項(xiàng)技術(shù)，被稱(chēng)為是繼GPS后的又一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以廣泛地應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，這些已經(jīng)引起了廣大科研人員的密切關(guān)注和相關(guān)研究。本文主要闡述了三維激光掃描技術(shù)的誕生、應(yīng)用以及與之相輔相成的發(fā)展?fàn)顩r。

　　1 引言

　　測(cè)繪，是一門(mén)與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的學(xué)科。是指對(duì)地表人工設(shè)施或者自然地理環(huán)境要素的大小、形狀、空間位置及其屬性等進(jìn)行測(cè)定、采集等。

　　三維激光掃描技術(shù)已在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)展了近十年，隨著社會(huì)科技的發(fā)展，它已憑借著成本低、快速性、應(yīng)用范圍廣、便于操作、主動(dòng)性、高密度、全天候、以及非接觸性等優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的缺陷，它給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)的變化也是很大的，它很好地改善了外業(yè)測(cè)繪的工作環(huán)境，提高了其工作效率。因此，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

　　2 三維激光掃描技術(shù)的誕生與其構(gòu)成

　　三維激光掃描技術(shù)是一種利用光進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和測(cè)距的技術(shù)，它可以直接獲取被測(cè)對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物信息的提取，最終完成三維場(chǎng)景的重建。

　　第一個(gè)具有現(xiàn)代意義的激光掃描系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)制圖中心（CMP）開(kāi)發(fā)的GPS van，它可以自動(dòng)和快速地采集陸地測(cè)量系統(tǒng)的直接數(shù)字影像;之后，加拿大卡爾加里大學(xué)和GEOFIT公司為實(shí)現(xiàn)高速公路的測(cè)量而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了VISTA系統(tǒng)，它是一個(gè)機(jī)載激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)例;荷蘭測(cè)量部門(mén)自1988年對(duì)通過(guò)地面固定激光掃描測(cè)量技術(shù)提取地形信息的技術(shù)進(jìn)行了研究;日本東京大學(xué)1999年進(jìn)行了地面固定激光掃描系統(tǒng)的集成與試驗(yàn)，并取得了良好效果。

　　三維激光掃描技術(shù)的構(gòu)成包括電子技術(shù)、全球定位系統(tǒng)及其相關(guān)軟件等。

　　3 三維激光掃描技術(shù)的主要特點(diǎn)介紹

　　三維激光掃描技術(shù)被稱(chēng)為是一種“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它利用激光的特有的優(yōu)異性能，能夠深入到各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描操作，并將三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，最終快速準(zhǔn)確得重構(gòu)了被測(cè)物的三維模型。它具有如下一些特點(diǎn)：測(cè)量距離遠(yuǎn)、采樣點(diǎn)速率高、點(diǎn)定位精度高、無(wú)接觸測(cè)量（無(wú)需反射棱鏡）、掃描目標(biāo)無(wú)需表面處理直接獲取其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字化采集、兼容性好、軟件功能齊全強(qiáng)大、能基本滿(mǎn)足工程測(cè)量需要等。

　　4 三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用

　　三維激光掃描技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取空間信息的方法。傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)精度差、速度慢，如今的連續(xù)自動(dòng)化優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了工業(yè)測(cè)量、地形測(cè)繪、智能交通等諸多方面。其在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下方面。

掃描廠區(qū)

　　4.1在土方量和體積量計(jì)算中的應(yīng)用

　　根據(jù)地面激光掃描儀獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)濾波后可以生成目標(biāo)對(duì)象的DEM模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象體積的測(cè)算。

體積量計(jì)算

　　4.2在測(cè)繪采空區(qū)中的應(yīng)用

　　原理：激光掃描技術(shù)對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行掃描測(cè)量作業(yè)利用，真實(shí)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采空區(qū)體積計(jì)算并制作三維實(shí)體模型。

　　這種應(yīng)用將礦山真實(shí)地搬進(jìn)電子計(jì)算機(jī)，為未來(lái)礦區(qū)數(shù)字化提供有效依據(jù)及前沿性的研究探索。

掃描礦山

　　4.3在文物、古建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用

　　在古建筑研究活動(dòng)中，用戶(hù)需要關(guān)于研究對(duì)象的完整基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，包括空間環(huán)境、古建筑自身、建筑細(xì)部等，研究工作主要針對(duì)這些數(shù)據(jù)展開(kāi)。古建筑保護(hù)工作最基礎(chǔ)的一項(xiàng)任務(wù)是對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行完整的測(cè)繪，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔，以便日后研究或者復(fù)原、重建。如被稱(chēng)作易北河上的佛羅倫薩的德國(guó)巴洛克古城德累斯頓， 70%的歷史建筑在二戰(zhàn)中都被盟軍的轟炸所摧毀，但是德國(guó)人在戰(zhàn)后又奇跡般地將古城重建，大部分重建工作都是仰賴(lài)他們精確的測(cè)繪存檔資料完成的。三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)高密度的掃描點(diǎn)（點(diǎn)云）來(lái)表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸和形狀的技術(shù)，點(diǎn)云是比較原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)物的三維幾何信息都蘊(yùn)涵在點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)部。如何利用點(diǎn)云，如何在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)提取空間信息，決定了三維激光掃描技術(shù)在古建保護(hù)行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用方式和成果形式。從對(duì)點(diǎn)云的應(yīng)用方式來(lái)看，可分為檔案記錄型應(yīng)用、尺寸量測(cè)型應(yīng)用、三維可視化型應(yīng)用和逆向重建應(yīng)用。從最終的提交成果形式可分為二維圖件形式（各種平、立、剖圖，等值線圖）和三維圖件形式（三維高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維CAD模型、三角面片格網(wǎng)）。因此，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建的保護(hù)，目前主要集中在檔案記錄型及其三維可視化，而進(jìn)一步的應(yīng)用，特別是將掃描結(jié)果用于逆向重建等對(duì)古建保護(hù)具有重大意義的應(yīng)用相對(duì)較少。

掃描古建筑的斗拱

　　4.4在水利水電測(cè)繪中的應(yīng)用

　　水電站工程一般都坐落在深山峽谷，那里兩岸山勢(shì)陡峭，地形變化劇烈，測(cè)量困難，特別是遇到天氣條件差的情況，航飛困難，而普通的光學(xué)遙感影響周期長(zhǎng)，且受云量影響無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求，精度很難保證標(biāo)準(zhǔn)要求，而且經(jīng)濟(jì)投入太大，人身安全也得不到保證，而三維激光技術(shù)出現(xiàn)，為水利水電測(cè)繪提供了新的解決方案。

掃描某大壩

　　4.5在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

　　如今交通發(fā)達(dá)，但卻存在著很多，安全隱患，對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)還原，可以很好地了解事故發(fā)生原因，對(duì)有效避免再次事故的發(fā)生有很好地作用。圖1為2012年8月20日12時(shí)許重慶合川區(qū)到北碚區(qū)路段一面包車(chē)與貨車(chē)相撞，造成至少12人死亡，1人重傷。交通事故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)由Faro三維激光掃描儀掃描獲取，為交通事故的發(fā)生尋找原因。

 工作人員正在用Faro X330三維激光掃描儀勘測(cè)交通事故現(xiàn)場(chǎng)

　　4  三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展

　　三維激光掃描技術(shù)是快速獲取三維空間信息的重要手段之一。特別對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測(cè)量技術(shù)相互融合，作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段，三維激光掃描技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展空間，成為一種普遍在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段。

　　三維激光掃描儀是測(cè)繪科學(xué)的領(lǐng)先產(chǎn)品，其發(fā)展與應(yīng)用直接反應(yīng)了三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。遠(yuǎn)程激光掃描儀可以用于巖崩、滑坡、河岸崩塌、礦山塌陷等危險(xiǎn)的和難以到達(dá)地方的地形監(jiān)測(cè)和方量計(jì)算，有效測(cè)控其變化范圍和量級(jí)，有效應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)。中程激光掃描儀多用于船閘、大壩、橋梁等的變形監(jiān)測(cè)。從整體來(lái)看，三維激光掃描儀基本涵蓋測(cè)繪的各個(gè)領(lǐng)域，具備大面積，高自動(dòng)化，高速率，高精度測(cè)量的特點(diǎn)。但是其自身還存在諸多缺點(diǎn)，如：三維激光掃描儀售價(jià)太高，難以滿(mǎn)足普通化需求;精度、測(cè)距與掃描速率存在矛盾關(guān)系;由于各個(gè)廠家都自帶軟件，互不兼容，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件沒(méi)有統(tǒng)一化;目前檢校方法單一，基準(zhǔn)值取復(fù)雜，精度評(píng)定不好，所以?xún)x器自身和精度的校驗(yàn)存在閑難。這一系列問(wèn)題的出現(xiàn)，告訴我們?nèi)S激光掃描技術(shù)有待繼續(xù)發(fā)展與普及。

　　5 總結(jié)

　　隨著激光技術(shù)、光電傳感器件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，三維激光測(cè)量技術(shù)得到了不斷提高和發(fā)展，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用對(duì)該技術(shù)的發(fā)展也提出了更新的要求。

　　同時(shí)，測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)新的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用、 新作業(yè)手段的變革，而隨著高精度的測(cè)繪的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化的普及和更新，會(huì)有更加方便人們的技術(shù)出現(xiàn)。總之，測(cè)繪必將得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，并將擁有更加燦爛的未來(lái)。

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