地面三維激光掃描技術在其他領域中的應用課件

1、地面三維激光掃描技術在其他領域中的應用地面三維激光掃描技術的主要應用領域有傳統(tǒng)測繪、文物保護、地質工程，在前面章節(jié)已經做了比較詳細的闡述。地面三維激光掃描技術應用廣泛，在礦業(yè)、林業(yè)、石化、數字城市、廠區(qū)土地規(guī)劃、海洋工程領域也得到了一些應用。一、在礦業(yè)領域中的應用A.應用現(xiàn)狀研究1.主要應用方向有：a.露天礦三維模型重構與測量b.井架變形監(jiān)測c.開采沉陷監(jiān)測d.建設用地復墾監(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.數字礦山2.露天礦應用實例 1）.數據采集及數據處理。采用Leica HDS8800 三維激光掃描儀采集數據，三維激光掃描數據采集及處理流程：A.外業(yè)

2、采集數據。Leica HDS8800可以結合GPS作業(yè)，GPS獲取測站及后視點坐標之后，HDS8800控制器及時地將大地坐標系納入掃描數據，這樣可以提高工作效率，避免控制點的重復測量。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據。 B.點云數據拼接。Leica HDS8800標配軟件I-Site Studio，軟件可以提供坐標拼接、點云拼接等工作。如果在掃描數據的同時結合GPS測量點位，那么掃描的數據直接就是在大地坐標系內，哈爾烏素露天礦原始點云數據如圖1所示。2）.三維模型在礦業(yè)中的應用。A.等高線、斷面線、坡頂線、坡底線等的提取

3、。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)設計。在三維模型中可以任意計算開采量，用于設計產量和核算產量。B.產量核算。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Leica HDS8800三維激光掃描儀架設在電鏟工作臺階之上的臺階，當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，最后利用點云數據迅速建模，兩次不規(guī)則曲

4、面的差值便為裝載數，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。在點云數據的基礎上，將Leica HDS8800掃描儀內置7000萬像素相機拍攝的照片附加在點云數據或者三維模型上面，可以清晰地分辨巖層，同時基于數據獲取各層的標高及差值，方便采礦人員的設計，疊加照片的三維數據如圖10。在附加彩色信息的點云數據或模型的基礎上，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)數據采集，360獲取空間點云數據，能夠提高外業(yè)數據采集效率，提升內業(yè)數據處理精度。同時，豐富的

5、數據不單為測量提供了可靠保證，更為礦山數字化、采礦設計、爆破提供了準確有效地三維實景。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。2.林業(yè)測量應用實例。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)測量數據獲取的精度并不高，影響了整體林業(yè)蓄積量調查的精度。地面三維激光掃描技術作為一種高新科技，在森林資源調查、林分結構研究、單木三維結構建模等方面有著巨大的應用潛力。一方面，其作為一種能快速，有效獲取測樹因子的

6、新方法，在豐富現(xiàn)有林業(yè)資源調查手段同時，還拓展了測樹空間；另一方面，該技術能對反映林分實時、動態(tài)變化的樹冠特征以及林分結構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精準的單木三維模型。徠卡測量系統(tǒng)貿易公司與南京林業(yè)大學研究人員共同合作，利用徠卡C10 掃描儀對南京林業(yè)大學試驗林進行掃描，利用Leica Cyclone 軟件對數據進行提取、整理、計算。主要技術過程如下：1.掃描前準備工作。對要進行掃描試驗林進行踏勘，確定進行掃描的測站位置、所需的測站數、掃描的路線以及標靶安放的位置。2.掃描過程。利用Leica C10進行機載控制，直接對實驗林點云數據進行獲取。操作

7、過程中采用中等掃描密度（100m處點間距為1cm X 1cm）進行掃描，并利用掃描儀內置數碼相機進行拍照，為室內研究提供更多可能用到的數據。3.數據預處理。利用徠卡提供的Cyclone軟件進行內業(yè)數據的拼接及信息的提取。將四站數據合為一體將會得到實驗林的完整數據。此次研究，要求精度較高，而且要求速度要快，所以選擇了標靶拼接這種模式。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做厚度為0.1cm的切片，根據點云做最佳擬合，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

8、視圖中找到樹木的最高點，以最高點位基準建立參考平面。利用Cyclone提供的量測功能就可以得到基準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系統(tǒng)引入到已知大地坐標系統(tǒng)中去，所以此次得出單株樹木位置坐標也只是在測量時使用的假定坐標系統(tǒng)中，但這都不會對計算過程產生影響。 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)域點云數據進行去噪處理，得到比較完整的點云。再根據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，根據點云可

9、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，并標記每個圓心的平面坐標，如圖15。綜上，利用三維激光掃描儀進行林業(yè)調查，在外業(yè)掃描工作中節(jié)省了大量的人力、物力，減少了外業(yè)作業(yè)時間，減輕了勞動強度。在內業(yè)工作中可以根據真實的三維坐標對單株樹木進行胸徑、樹高以及位置信息提取，大量點云數據保證了數據的全面性，以及成果的準確性。A.裝置設備管理。在石油化工企業(yè)中，高聳的煉塔是加工化工原料、提煉各種產品的主要設備，是企業(yè)工作生產的靈魂。利用三維激光采集技術，

10、實現(xiàn)石化裝置的而各種設備的空間信息（X、Y、Z）和屬性信息（基本參數、運行參數、檢維修參數等）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據，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。目前操作員崗位學習局限在書本、圖紙資料、現(xiàn)場培訓，增加裝置三維立體圖的學習和應用，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的實效性。B.管網系統(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

11、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了各類支撐結構。石化企業(yè)的物料管道一般都在空中架設，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，空間關系復雜。支撐管道的管架一般分為2至5層，在管架上架設的管道也是分層的，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，而是上下轉折的，在層間起伏，有的管道中途轉向，從而形成管道復雜的纏繞。石化企業(yè)管網現(xiàn)場如圖17。目前國內的石化企業(yè)，對這些管架和各類線路的管理手段還停

12、留在紙質的圖紙和資料中，傳統(tǒng)的管理方式已經完全不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，應充分利用三維激光掃描技術獲取平面上重疊，高程不同的管道信息，體現(xiàn)管道在管架上的實際情況，為管網的精細化管理提供技術支持。四、工業(yè)三維GIS應用實例1.項目概述。工業(yè)領域的三維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合在一起，即可使真實存在于空間位置的工廠準確地表達出其自身與空間的位置關系，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，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，

13、交通即是生命的聯(lián)絡線，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應用的深入，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平臺將關注重點放在了“在大場景下高精細表達大體量精細數據”上，提出以三維激光掃描儀采集的設備及管線的真實三維數據為數據層，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用，層為系統(tǒng)主體的綜合管理平臺，來解

14、決工業(yè)上的相關問題。2.數據獲取及處理。A.外業(yè)數據掃描。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，當進行大場景掃描時，往往因為誤差的累積，使精度達不到要求。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，大型鋼結構掃描時，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)范圍內全盤考慮，根據永久性控制點布設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進行碎部測量工作，這樣可以減小誤差累積，使測區(qū)內精度

15、均勻。若要對煉化設備進行掃描，使用Leica HDS6200在掃描距離50米內形成模型表面精度為4mm，25m內精度為2mm，現(xiàn)場掃描如圖18。由于被掃描物體較大，可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，當物體形狀比較復雜時，為保證拼接的準確性，應使相鄰測站掃描的對象具有一定的重疊度。B.數據處理。由于煉化設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原點的獨立坐標系下的點云，為使所有分站掃描得到的點云可以劃歸到同一地理坐標系下，就要對掃描數據進行拼接。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，這樣將直接影響設備的

16、量測和建?？煽啃?，利用先擬合特征平面然后在特征平面的基礎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靶中心位置的地理坐標導入到處理軟件中，然后以此作為基站將各站數據拼接起來，從而完成各測站的獨立坐標系統(tǒng)向統(tǒng)一坐標系統(tǒng)的轉換及點云拼接。利用球形標靶作為相鄰點云的公共控制點，可將拼接精度提高到5mm以內，好的拼接精度可以達到1-2mm。此例共掃描20站，拼接精度控制在2mm以內，拼接好的部分點云如圖19。C.三維建模。要將經過掃描得到的點云轉化為通常意義上的三維模型，系統(tǒng)軟件至少應該具備三個條件，一是常用的三維模型組件，如柱體、球體、管狀體、長方體、各種型鋼、面片、線段等幾何圖形，二是與模型組件相對應的點云匹配算法，三是幾何表面TIN多邊形算法。當進行三維建模時一般先選擇水平或豎直的物體定義坐標系，由于設備點云的數據量龐大，可利用軟件中提供的分段處理工具從掃描的點云圖中抽取點云完整的物體一部分點，以進行自動匹配處理，自動匹配處理之前要先對設備定義標準參數，使之符合工業(yè)設備規(guī)格。這種自動匹配方式的處理只適用于那些與軟件中所包含的常用