地面三維激光掃描技術(shù)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用

1、地面三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有傳統(tǒng)測繪、文物保護、地質(zhì)工程，在前面章節(jié)已經(jīng)做了比較詳細的闡述。地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用廣泛，在礦業(yè)、林業(yè)、石化、數(shù)字城市、廠區(qū)土地規(guī)劃、海洋工程領(lǐng)域也得到了一些應(yīng)用。一、在礦業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用A.應(yīng)用現(xiàn)狀研究1.主要應(yīng)用方向有：a.露天礦三維模型重構(gòu)與測量b.井架變形監(jiān)測c.開采沉陷監(jiān)測d.建設(shè)用地復(fù)墾監(jiān)測e.煤（石千）石山難及區(qū)域測繪f.滑坡體監(jiān)測g.地下采空區(qū)變形監(jiān)測h.數(shù)字礦山2.露天礦應(yīng)用實例 1）.數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理。采用Leica HDS8800 三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，三維激光掃描數(shù)據(jù)采集及處理流程：A.外業(yè)采集數(shù)據(jù)。Leica HDS8800可

2、以結(jié)合GPS作業(yè)，GPS獲取測站及后視點坐標(biāo)之后，HDS8800控制器及時地將大地坐標(biāo)系納入掃描數(shù)據(jù)，這樣可以提高工作效率，避免控制點的重復(fù)測量。同時，Leica HDS8800具有2000米測程，以及全景掃描視場角度，可以在測站的位置上獲取最大的數(shù)據(jù)。 B.點云數(shù)據(jù)拼接。Leica HDS8800標(biāo)配軟件I-Site Studio，軟件可以提供坐標(biāo)拼接、點云拼接等工作。如果在掃描數(shù)據(jù)的同時結(jié)合GPS測量點位，那么掃描的數(shù)據(jù)直接就是在大地坐標(biāo)系內(nèi)，哈爾烏素露天礦原始點云數(shù)據(jù)如圖1所示。C.點云數(shù)據(jù)建模，生成DEM。在拼接好的點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用軟件進行噪音數(shù)據(jù)取出，軟件提供了多種噪音過濾器，包

3、括有距離過濾、角度過濾、面過濾、離散點過濾、邊緣過濾等。剔除噪音數(shù)據(jù)經(jīng)過抽吸處理后，如圖2。再利用軟件對數(shù)據(jù)進行快速建模，生成DEM，并獲得露天礦三維模型，如圖3。2）.三維模型在礦業(yè)中的應(yīng)用。A.等高線、斷面線、坡頂線、坡底線等的提取。在三維模型生成之后，可以提取斷面線，如圖4。等高線，如圖5。以及露天礦中開采臺階的邊幫坡頂、坡底線，如圖6。同時可以在三維模型中任意獲取臺階坡面角、臺階高度、臺階寬度、方便采礦專業(yè)設(shè)計。在三維模型中可以任意計算開采量，用于設(shè)計產(chǎn)量和核算產(chǎn)量。B.產(chǎn)量核算。在霍林河露天礦中，利用Leica HDS8800三維激光掃描儀對電鏟的工作量進行核算，方法如下：首先將Le

4、ica HDS8800三維激光掃描儀架設(shè)在電鏟工作臺階之上的臺階，當(dāng)電鏟開采之后裝入運煤車的前后對運煤車進行掃描，即對空車進行掃描，如圖7。然后電鏟裝車之后再次掃描，如圖8。每次掃描時間不到半分鐘，最后利用點云數(shù)據(jù)迅速建模，兩次不規(guī)則曲面的差值便為裝載數(shù)，如圖9。C.分析巖層與煤礦層高度。在黑岱溝煤礦中，利用Leica HDS8800三維激光掃描儀對開采面精細掃描，采樣密度為10mm/100m。在點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將Leica HDS8800掃描儀內(nèi)置7000萬像素相機拍攝的照片附加在點云數(shù)據(jù)或者三維模型上面，可以清晰地分辨巖層，同時基于數(shù)據(jù)獲取各層的標(biāo)高及差值，方便采礦人員的設(shè)計，疊加照片的

5、三維數(shù)據(jù)如圖10。在附加彩色信息的點云數(shù)據(jù)或模型的基礎(chǔ)上，利用軟件獲取各層面的走勢圖，如圖11。利用Leica HDS8800針對露天礦的外業(yè)數(shù)據(jù)采集，360獲取空間點云數(shù)據(jù)，能夠提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，提升內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度。同時，豐富的數(shù)據(jù)不單為測量提供了可靠保證，更為礦山數(shù)字化、采礦設(shè)計、爆破提供了準(zhǔn)確有效地三維實景。在如此精確的三維模型上，可以讓不同專業(yè)的人士得到不同的需求。二、在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用1.應(yīng)用研究現(xiàn)狀。目前，國外許多林業(yè)科研工作者就三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)方面的應(yīng)用進行了深入探討。研究內(nèi)容主要集中在測樹因子的獲取。林分結(jié)構(gòu)研究以及單木三維重建等方面，并獲得了不同程度的成功。 與國外

6、相比，地面三維激光掃描儀技術(shù)在我國林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少，目前僅局限于基本測樹因子獲取和單木三維重構(gòu)兩個方面，主要原因：一是三維激光掃描系統(tǒng)屬于高精密度儀器，成本高昂，目前僅在少數(shù)研究項目中使用，并未在林業(yè)調(diào)查部門普及；二是該技術(shù)在數(shù)字林業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用前景還沒得到足夠重視，缺少必要的嘗試。2.林業(yè)測量應(yīng)用實例。傳統(tǒng)方法獲取林分因子是通過皮尺或者鋼尺量測樹干的周長，利用林分速測鏡量取樹木的高度及任意位置處的直徑，這樣的方法不僅使外業(yè)測量速度慢，還增加了工作人員的勞動強度，而且在進行樹木高度測量時受外界環(huán)境影響很大。最重要的是外業(yè)測量數(shù)據(jù)獲取的精度并不高，影響了整體林業(yè)蓄積量調(diào)查的精度。地面三維激

7、光掃描技術(shù)作為一種高新科技，在森林資源調(diào)查、林分結(jié)構(gòu)研究、單木三維結(jié)構(gòu)建模等方面有著巨大的應(yīng)用潛力。一方面，其作為一種能快速，有效獲取測樹因子的新方法，在豐富現(xiàn)有林業(yè)資源調(diào)查手段同時，還拓展了測樹空間；另一方面，該技術(shù)能對反映林分實時、動態(tài)變化的樹冠特征以及林分結(jié)構(gòu)等信息進行有效捕捉，并能提供高分辨率的三維點云影像圖，進而有助于我們建構(gòu)精準(zhǔn)的單木三維模型。徠卡測量系統(tǒng)貿(mào)易公司與南京林業(yè)大學(xué)研究人員共同合作，利用徠卡C10 掃描儀對南京林業(yè)大學(xué)試驗林進行掃描，利用Leica Cyclone 軟件對數(shù)據(jù)進行提取、整理、計算。主要技術(shù)過程如下：1.掃描前準(zhǔn)備工作。對要進行掃描試驗林進行踏勘，確定進行

8、掃描的測站位置、所需的測站數(shù)、掃描的路線以及標(biāo)靶安放的位置。2.掃描過程。利用Leica C10進行機載控制，直接對實驗林點云數(shù)據(jù)進行獲取。操作過程中采用中等掃描密度（100m處點間距為1cm X 1cm）進行掃描，并利用掃描儀內(nèi)置數(shù)碼相機進行拍照，為室內(nèi)研究提供更多可能用到的數(shù)據(jù)。3.數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用徠卡提供的Cyclone軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的拼接及信息的提取。將四站數(shù)據(jù)合為一體將會得到實驗林的完整數(shù)據(jù)。此次研究，要求精度較高，而且要求速度要快，所以選擇了標(biāo)靶拼接這種模式。4.研究數(shù)據(jù)提取。對拼接完成的數(shù)據(jù)進行去噪處理，提取需要進行研究的區(qū)域。A.胸徑、樹高提取。從樹林掃描數(shù)據(jù)中任意分割提取有

9、限株單獨樹木，首先進行人工去噪處理，然后就可以利用Cyclone中的Survey模塊對單株樹木進行胸徑、樹高以及樹冠投影到地面上的面積等進行提取。提取過程：a.分割出一部分點云數(shù)據(jù)，保證點云里必須包含至少一株完整的樹木信息。b.進行人工去噪處理。因為點云顯示是空間的，所以在Cyclone中我們可以進行任意角度的旋轉(zhuǎn)查看，通過不斷的變換視角，進行點云去噪，可以方便準(zhǔn)確的得到我們所需要的單株樹木的點云數(shù)據(jù)。c.胸徑的提取。胸徑是指在樹木（林業(yè)上稱為樣木）的1.3m處量其直徑。根據(jù)定義我們可以通過點云查看數(shù)據(jù)與地面接觸的位置，從而確定一個最為合適的基準(zhǔn)點來確定胸徑的位置。以基準(zhǔn)點所在水平面為基準(zhǔn)建立

10、水平參考面，如圖12。在Z軸正方向按照1.3m的間距對水平參考面進行偏移，就得到了胸徑的位置所在。以水平參考面為基準(zhǔn)做厚度為0.1cm的切片，根據(jù)點云做最佳擬合，得到胸徑的值=0.180 X 2=0.36 m。d.樹高的提取。在Modelspace窗口中的視圖模式中選擇“正射視圖”，在主視圖中找到樹木的最高點，以最高點位基準(zhǔn)建立參考平面。利用Cyclone提供的量測功能就可以得到基準(zhǔn)點到最高點所在參考面的高度，如圖13。B.樹林中單株樹木位置信息的提取。此次測量沒有將坐標(biāo)系統(tǒng)引入到已知大地坐標(biāo)系統(tǒng)中去，所以此次得出單株樹木位置坐標(biāo)也只是在測量時使用的假定坐標(biāo)系統(tǒng)中，但這都不會對計算過程產(chǎn)生影響

11、。 先確定進行單株樹木位置信息提取的區(qū)域，對所選取區(qū)域點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，得到比較完整的點云。再根據(jù)點云確定一個最接近地面的水平參考面，如果要求的范圍誤差較大，我們可以對整個區(qū)域的樹木確定一個水平參考，如果要求的精度高，我們就需要對單株樹木確定參考面的位置，以前一種情況為例，根據(jù)點云可以找到一個最切合四株樹木的參考面位置，如圖14。以水平參考面為基準(zhǔn)做厚度為0.1cm的切片，得到了四株樹木參考面處的切片點云，根據(jù)點云做最佳擬合，得到四個圓，找到每個圓圈的圓心位置并創(chuàng)建圓心點，并標(biāo)記每個圓心的平面坐標(biāo)，如圖15。綜上，利用三維激光掃描儀進行林業(yè)調(diào)查，在外業(yè)掃描工作中節(jié)省了大量的人力、物力，減少

12、了外業(yè)作業(yè)時間，減輕了勞動強度。在內(nèi)業(yè)工作中可以根據(jù)真實的三維坐標(biāo)對單株樹木進行胸徑、樹高以及位置信息提取，大量點云數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)的全面性，以及成果的準(zhǔn)確性。三、在石化領(lǐng)域的應(yīng)用1.應(yīng)用研究現(xiàn)狀。石化企業(yè)具有現(xiàn)場占地面積大，裝置高，設(shè)備管線排布復(fù)雜等諸多特點。采用傳統(tǒng)方法進行這樣的大場景掃描時，往往會造成較大的累積誤差，使用掃描加控制網(wǎng)的方法可以解決此類難題。即在掃描區(qū)域內(nèi)布設(shè)3個或3個以上標(biāo)靶，通過全站儀取得這些標(biāo)靶的坐標(biāo)，然后通過控制網(wǎng)將所有的單站掃描結(jié)果拼接在一起最終形成了完整的掃描場景。2。應(yīng)用方向簡介。石化企業(yè)中設(shè)備錯綜復(fù)雜，管道縱橫交錯，要管理的對象在空間上密集排列，通過二維符號或

13、線條描述方式已顯得束手無策，而三維激光掃描技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確便捷的獲取石化裝置的實物（設(shè)備、管網(wǎng)、框架）的三維空間信息，在石化企業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。A.裝置設(shè)備管理。在石油化工企業(yè)中，高聳的煉塔是加工化工原料、提煉各種產(chǎn)品的主要設(shè)備，是企業(yè)工作生產(chǎn)的靈魂。利用三維激光采集技術(shù)，實現(xiàn)石化裝置的而各種設(shè)備的空間信息（X、Y、Z）和屬性信息（基本參數(shù)、運行參數(shù)、檢維修參數(shù)等）的地理信息系統(tǒng)動態(tài)管理，直觀的顯示現(xiàn)場場景、真實的空間和屬性數(shù)據(jù)，使管理人員既能直觀的觀察現(xiàn)場情況，又可以掌握各類屬性信息，石化裝置三維模型如附圖16。a.為操作員提供了裝置現(xiàn)場環(huán)境的空間視覺真實感受。目前操作員崗位學(xué)習(xí)局限在

14、書本、圖紙資料、現(xiàn)場培訓(xùn)，增加裝置三維立體圖的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，通過實物的三維空視圖可以更加直觀、方便、快捷的了解掌握裝置的工藝流程，從而提高了操作員崗位培訓(xùn)的實效性。b.為設(shè)備工程師提供了設(shè)備管理，更新維護的新思路，目前，設(shè)備工程師對設(shè)備的管理和更新維護局限在圖紙資料，平面操作圖以及現(xiàn)場查詢，增加裝置三維立體圖的應(yīng)用，使設(shè)備工程師能更有效的，更精確的使用和維護設(shè)備。利用裝置三維立體圖，設(shè)備工程師能在計算機中靈活查詢管線，反應(yīng)塔，閥門，儀器設(shè)備的形狀，數(shù)量，尺寸及分布，直到每一個彎頭的走向，并可以在計算機中完成管線，彎頭，儀器設(shè)備的更換與設(shè)計，避免了更換，設(shè)計中容易忽略的要素，使其尺寸，形狀更符合要

15、求，并大大的減小了勞動強度。c.為安全管理員展示一幅數(shù)字化工廠安全管理圖。利用三維立體裝置圖可以全面掌握、瀏覽安全防護設(shè)備的安放點，一旦確定危險源或事故隱患發(fā)生險情，能夠顯示危險源和事故隱患點周邊環(huán)境，實時顯示撤離通道，消防通道，安全通道，救援通道等信息，從而及時快速的全面掌握裝置的各種安全因素，提高安全管理水平。B.管網(wǎng)系統(tǒng)管理。石化企業(yè)的管道與市政管線或其他行業(yè)廠區(qū)管線相比，具有以下特點：a.管線種類繁多，特性各異。石化的物料管道按照用途可分為蒸汽，氦氣，氨氣，汽油，重油，火炬氣，乙烯等70多種。有的還有伴熱管和覆蓋層。b.管線多在地面以上的周邊架設(shè)了各類支撐結(jié)構(gòu)。石化企業(yè)的物料管道一般都

16、在空中架設(shè)，離地面5米以上，沿線必須有管架，弦，斜撐，橫梁等共同伴隨支撐。c.管線重疊覆蓋，纏繞交錯，空間關(guān)系復(fù)雜。支撐管道的管架一般分為2至5層，在管架上架設(shè)的管道也是分層的，在某一層次上，不同類型的管道并列排布，從俯視的角度來看，管道的平面圖是重疊的。很多管道并不是始終處在一層，而是上下轉(zhuǎn)折的，在層間起伏，有的管道中途轉(zhuǎn)向，從而形成管道復(fù)雜的纏繞。石化企業(yè)管網(wǎng)現(xiàn)場如圖17。目前國內(nèi)的石化企業(yè)，對這些管架和各類線路的管理手段還停留在紙質(zhì)的圖紙和資料中，傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)完全不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，應(yīng)充分利用三維激光掃描技術(shù)獲取平面上重疊，高程不同的管道信息，體現(xiàn)管道在管架上的實際情況，為管網(wǎng)

17、的精細化管理提供技術(shù)支持。四、工業(yè)三維GIS應(yīng)用實例1.項目概述。工業(yè)領(lǐng)域的三維GIS，突破性的把區(qū)域性的工廠和大范圍的地理信息緊密的結(jié)合在一起，即可使真實存在于空間位置的工廠準(zhǔn)確地表達出其自身與空間的位置關(guān)系，也可使在大場景下的小區(qū)域能得到精細的表達。其對于工廠的意義在于：工廠自身很難處于一個相對獨立和封閉的空間內(nèi)，多多少少都會以不同形式與外界聯(lián)系，如交通（公路，鐵路），能源及物料的傳送（水，電，油，氣）等。對于制造類企業(yè)而言，交通即是生命的聯(lián)絡(luò)線，面對與加工于加工類企業(yè)來說，輸送線則是最為直接的生命線，這一點在能源處理企業(yè)中尤為突出，如輸變電站，油氣加工廠的輸入和輸出管線。 隨著GIS應(yīng)用

18、的深入，人們越來越多的要求從三維空間來處理問題。在三維GIS中，工廠的表達一直以來都是難題，因其要求的精度高，、模型體量大、表現(xiàn)效果好等前提條件使得很多國際一線的GIS系統(tǒng)都無能為力。北京則泰集團公司自主研發(fā)的TopoGIS平臺將關(guān)注重點放在了“在大場景下高精細表達大體量精細數(shù)據(jù)”上，提出以三維激光掃描儀采集的設(shè)備及管線的真實三維數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)層，并基于此建立以空間分析、展現(xiàn)查看、運行管理等功能的應(yīng)用，層為系統(tǒng)主體的綜合管理平臺，來解決工業(yè)上的相關(guān)問題。2.數(shù)據(jù)獲取及處理。A.外業(yè)數(shù)據(jù)掃描。中遠距離的三維激光掃描儀，一般的測量誤差最大在5mm左右，當(dāng)進行大場景掃描時，往往因為誤差的累積，使精度達不

19、到要求。因此，對于較大場景，同時又有較高精度要求的情況下，例如對工廠，大型鋼結(jié)構(gòu)掃描時，要提高三維激光掃描的整體精度，可聯(lián)合常規(guī)測量手段，通常我們使用全站儀控制整體精度，廠區(qū)內(nèi)可以找到永久性控制點，測量工作遵循“先整體后局部，先控制后碎部，由高級到低級”的原則來組織實施，首先在測區(qū)范圍內(nèi)全盤考慮，根據(jù)永久性控制點布設(shè)若干個有利于碎部測量的點形成廠區(qū)臨時控制點，然后再以這些點為依據(jù)進行碎部測量工作，這樣可以減小誤差累積，使測區(qū)內(nèi)精度均勻。若要對煉化設(shè)備進行掃描，使用Leica HDS6200在掃描距離50米內(nèi)形成模型表面精度為4mm，25m內(nèi)精度為2mm，現(xiàn)場掃描如圖18。由于被掃描物體較大，可

20、采取分塊多測站的形式，分層次對物體進行掃描，通過實驗驗證，當(dāng)物體形狀比較復(fù)雜時，為保證拼接的準(zhǔn)確性，應(yīng)使相鄰測站掃描的對象具有一定的重疊度。B.數(shù)據(jù)處理。由于煉化設(shè)備是以分塊多測站的形式掃描的，每個測站掃描后所得到的點云都是以測站為坐標(biāo)原點的獨立坐標(biāo)系下的點云，為使所有分站掃描得到的點云可以劃歸到同一地理坐標(biāo)系下，就要對掃描數(shù)據(jù)進行拼接。由于掃描的角度和位置問題，如果直接利用特征點進行拼接，點云的拼接精度較低，這樣將直接影響設(shè)備的量測和建?？煽啃裕孟葦M合特征平面然后在特征平面的基礎(chǔ)上再加入點云約束的方法進行拼接，將會對拼接精度有一定改善。為解決拼接精度問題，先利用全站儀進行控制測量，通過精確測定，將得到掃描儀可識別的球形標(biāo)靶中心位置的地理坐標(biāo)導(dǎo)入到處