摘要：快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。三维激光扫描技术是一项高新技术，是一种利用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力。
关键字：三维激光扫描仪,城市基础设施,地铁隧道变形,公路大修工程
1.三维激光扫描仪的概念
三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。三维激光扫描仪通过高速激光发射器运用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。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，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
2.三维激光扫描仪作业流程
三维激光扫描作业流程主要分为外业数据采集和内业数据处理两大部分。
2.1外业数据采集
外业数据采集包括标靶及控制点布设与测量和数据全景扫描两部分工作，控制测量包括平面控制测量和高程控制测量，数据扫描包括三维激光扫描和标靶三维坐标测量。
2.1.1标靶与控制点布设及测量
在外业数据采集时，由于三维激光扫描仪的测程是有限的，同时扫描仪与被扫描目标所形成的夹角不同的情况下的空间分辨率是不一样的，夹角越小，分辨率越低;对于不同的扫描距离，点的精度也不同;另外还存在有障碍物不能通视的情况，因此通常一条道路的测量工作需要在很多测站来完成。那么不同测站的测量数据如何拼接到一起，就需要标靶来完成，因此根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。
2.2内业数据处理
外业扫描到的三维点云数据，既包含有用的数据，也包含车辆、行人、树叶等等无用的数据。这些数据量庞大的点云必须要经过处理才能被利用。
2.2.1数据滤波、抽隙
外业数据采集的无用数据，也称作噪声数据，将这些数据剔除的过程叫做数据滤波。如果采集到的点云数据或者局部数据相对于工程本身过于密集，还可以对数据进行抽隙处理，这种方式也称作去云。
2.2.2点云拼接
把从各个测站上扫描得到的点云数据，通过设置在测站重叠处不规则的标靶拟合而拼接在一起，这个过程叫做点云拼接。利用已经布设、测量过的控制点三维坐标，将拼接后的点云纳入到我们所使用的平面直角坐标系中。
2.2.3平面虚拟测量
点云数据是由大量三维信息的点位组成，还需要结合由CCD相机所拍摄的真彩色影像，前者保证了表面模型的数据(DSM)，而影像数据则保证了边缘(Edges)和角落(Corner)的信息完整和准确。
2.2.4建立DEM模型，生成等高线、纵横断面图
经过处理了的点云是由高密度的三维离散点阵组成，将这些空间点利用软件平台生成连续的不规则三角网(TIN)，进而生成等高线，并且可以根据需要设置等高线间距。将带有桩号的设计中线插入到固定坐标系中的TIN模型当中，根据设计要求的中线断面间距及每个横断面宽度，即可生成所需要的任意纵横断面图。
3.三维激光扫描仪在城市基础设施监管中的应用
3.1三维激光扫描仪在地铁隧道变形监测中的应用
地铁隧道收敛变形，是指地铁隧道在营运过程中，由于受到地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工、地铁列车运行振动等，对隧道产生综合影响而造成的隧道变形。地铁隧道收敛变形量必须保持在设计范围内，否则需要采取措施，防止灾难事故发生。
3.1.1三维 3.1.2三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中应用的基本思路
3.1.2.1数据采集
设计导线与水准测量方案，根据激光扫描仪性能参数及现场环境设计扫描站间距、扫描点密度，保证具有一定的扫描重叠度;隧道内导线及水准测量，传递三维坐标;同步进行隧道三维激光扫描，获得隧道管壁三维点云数据，同时也获得标靶点云数据。
3.1.2.2数据预处理
标靶三维坐标计算：通过导线及水准测量成果，计算标靶的三维坐标。
点云数据三维坐标归算：根据标靶三维坐标将每站的点云数据归算到统一的三维坐标系统。
剔除噪音数据：根据隧道设计数据，剔除管壁外的噪音数据。
提取必要的管壁点云数据：由于扫描角度、距离等因素，管壁点云密度并不均匀，站附近的点密度大。为便于下一步处理，去掉点密度大的区域中不必要的大量冗余点，按照一定的密度提取点云数据，提高后续数据处理速度。
3.1.2.3三维模型建立
根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁三维模型。
3.1.2.4成果输出
按照地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条曲线拟合，与设计断面理论值比较，求出管片一周的变化量曲线，并输出特征点的变形量差值。输出每管片一周收敛变形报告。
3.1.2.5成果管理
成果管理是指对大量的断面数据及多次测量成果进行有效管理。为了提高管理效率，建立地铁隧道收敛测量成果管理系统，建立数据库管理每个管片测量成果，同时建立成果浏览与分析系统。
3.2三维激光扫描仪在高速公路大修工程中的应用
高速公路使用年限较长，出现开裂、破损现象。为使地形图能准确反映道路现状，设计要求每10米测量一组高程，然后提供中央隔离带两侧路面上的两条纵断面图形，并且分别提供每10米一组横断面图形。由于道路正在使用，车流量较大，车速快。为不影响交通，测量作业过程中车辆不能断流。常规测量需上路测量，穿行在高速公路，测量大量高程点，存在有很大的风险。考虑到风险的存在以及工作量极大，利用三维激光扫描仪进行作业。
沿高速公路最外侧紧急停车带设立测站，对测量范围内的目标进行扫描，利用软件进行数据拼接。拼接后的部分点云见图1、图2。
利用传统测量方式——符合水准线路测量了82个相同位置的点位高程，与三维激光扫描成果进行比较，其中误差 为0.011m。
然后将抽隙了的数据作为原始数据，利用专业软件生成TIN三角网模型，插入道路中心，即可生成设计所需要的纵横断面图形。如下图：
道路大修工程除了需测绘大比例尺现状地形图及纵横断面测量以外，还有一个特点就是对地面上所有交通设施，例如各类交通标志牌、红绿灯、公交车站、道路上所有护栏，甚至要求对行车道上的分道线、车辙、隔离带上铺装范围及种类、各类管线检查井盖位置、尺寸及高程都要准确地在地形图中表示出来。为准确确定加铺量，设计人对图面高程密度要求很高，利用传统的野外地形数据采集手段，测量员的工作量会很大，太多的地物点容易丢漏，给设计人员带来问题，另外由于道路上车辆较多，作业员上路作业风险很大。所以我们利用三维激光扫描仪进行测量可以帮助我们节省大量时间及人力。
4.结论
三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，广泛的应用。从整体看来，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。三维激光扫描技术是一个新生事物，其技术上还有很多地方需要改进和提高：受到安全激光功率的局限，扫描距离和范围有限;特定材料对激光光源反射不够敏感造成扫描范围内出现盲区;扫描激光光斑随距离的增加而变大，造成扫描结果中物体边缘细节难以识别;因此三维处理软件功能有待进一步完善。总的来说，三维激光扫描仪具有较广的应用前景，有一定的研究价值。
参考文献：
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