【正文】 均能得到很好 的應(yīng)用。 邊坡變形監(jiān)測(cè)：三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度 ， 高精度的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)邊坡的變形監(jiān)測(cè)能反映坡體的總體變形趨勢(shì)和量級(jí)其操作過(guò)程是對(duì)邊坡定期進(jìn)行掃描，將前后兩次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，然后由處理軟件分析前后兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別，從而得出邊坡的變形 趨勢(shì)和量 6 級(jí)。 應(yīng)用領(lǐng)域 由于三維激光掃描儀技術(shù)特別適合于對(duì)大面積 的 表面復(fù)雜的物體進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，所以其應(yīng)用范圍極廣。 (6)激光掃描測(cè)量技術(shù)具有作業(yè)周期快， (5)具有精度高、密度大的特點(diǎn)。 （ 4） 穿透性。三維激光掃描系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)和接收被測(cè)物體反射回來(lái)的脈沖信號(hào)對(duì)目標(biāo)表面的形態(tài)信息進(jìn)行獲取和量測(cè)的。地面三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)，經(jīng)反射棱鏡發(fā)射和接收發(fā)射回來(lái)的激光信號(hào)來(lái)獲得目標(biāo)信息，不受外部光照、氣壓等條件的限制，能夠全天進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。 Leica Scan Station2脈沖式激光掃描儀掃描速率 50000點(diǎn) /秒， HDS6000 相位式激光掃描儀掃描速率 500000 點(diǎn) /秒，應(yīng)用激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)實(shí)體 空間三維信息的獲取速度非?？?，可以實(shí)時(shí)測(cè)定實(shí)體表面三維信息，進(jìn)而可以應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。 圖 23 圖 24 5 （ 1）高數(shù)據(jù)采樣率。激光掃描測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比有無(wú)法取代的優(yōu)越性，如不受天氣限制和非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)等。如圖24 所示， 處理技術(shù)在于它可以點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，如：基于精度分布形態(tài)來(lái)過(guò)濾噪音點(diǎn)或劣質(zhì)點(diǎn)，從而提高重建目標(biāo)的整體精度及質(zhì)量。 如圖 22，將不同觀測(cè)點(diǎn)掃描的點(diǎn)云內(nèi)容在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中進(jìn)行合并，然后在后處理軟件功能模塊中剪裁掉無(wú)關(guān)的部分，便得到所需的目標(biāo)三維重建內(nèi)容，接下來(lái)的工作是對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量進(jìn)行處理（如圖 23），進(jìn)行平滑、去噪、精度篩選、方差均值處理等，這樣便得到可以用于各種應(yīng)用目地的的 工作如：測(cè)繪、計(jì)量等，如果再經(jīng)過(guò)三維建模 處理后，就可以在需要三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)的各種工作中扮演角色，如： 可以轉(zhuǎn)化給各種 CAD 軟件進(jìn)行處理、可轉(zhuǎn)化給有限元分析軟件進(jìn)行各種應(yīng)力分析處理、可轉(zhuǎn)化給流體動(dòng)力分析軟件進(jìn)行處理、可轉(zhuǎn)化給檢測(cè)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析檢測(cè)用、可轉(zhuǎn)化到三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行還原處理及逆設(shè)計(jì)逆向工程工作、可轉(zhuǎn)化到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行三維可視化處理?，總之，基于點(diǎn)云及三維模型進(jìn)行后處理加工的內(nèi)容非常豐富，而且是目前很多領(lǐng)域的不可缺少的內(nèi)容。 完整重建目標(biāo)，僅僅從一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)掃描測(cè)繪目標(biāo)數(shù)據(jù)是不夠的，還必須在不同觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描測(cè)繪，并且在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中合 并后才能生成， MENSI 技術(shù)提供了人工輔助的自動(dòng)合并功能，只要在掃描目標(biāo)前規(guī)劃好掃描內(nèi)容并且設(shè)置好定標(biāo)球便可。傳感器中的視頻微攝像機(jī)可以提供實(shí)時(shí)獲取觀測(cè)景象。 根據(jù)目標(biāo)大小及精度要求， 徠 卡 可以把不同視點(diǎn)采集的點(diǎn)云信息經(jīng)過(guò)拼接處理后合并到同一個(gè)坐標(biāo)系中，合并辦法是通過(guò)多個(gè)定標(biāo)球來(lái)完成的。 掃描儀采用自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的、自適應(yīng)的激光束聚焦技術(shù)（在不同的視距中），以保證每個(gè)掃描云點(diǎn)的測(cè)距精度及位置精度足夠高。 每掃描一個(gè)云點(diǎn)后， CCD將云點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)并直接傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。參見(jiàn)圖 4。 三維激光掃描測(cè)量原理：每一個(gè)掃描云點(diǎn)的測(cè)量都是基于三角測(cè)量原理進(jìn)行的，并且根據(jù)激光掃描的傳感驅(qū)動(dòng)進(jìn)行三維方向的自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量。前者可以重建目標(biāo)模型及分析結(jié)構(gòu)特性 ，并且進(jìn)行全面的后處理測(cè)繪及測(cè)繪目標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何內(nèi)容。激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng) ,同時(shí)也集成 CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。 它是從傳統(tǒng)測(cè)繪計(jì)量技術(shù)并經(jīng)過(guò)精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段 集成而發(fā)展起來(lái)的，是對(duì)多 2 種傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的概括及一體化。土地的開(kāi)發(fā)與整理已日益重要，三維激光掃描作為測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，利用三維建模技術(shù)在土地復(fù)墾領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。 研究的背 景與意義 當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)己由飛速發(fā)展轉(zhuǎn)為持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)，我們對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的認(rèn)識(shí)已由單一的追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷で蠼?jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)發(fā)展。通過(guò)對(duì)其沉降監(jiān)測(cè)，土方量等領(lǐng) 域的研究表明，三維激光掃描技術(shù)在土地復(fù)墾領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，它的發(fā)展對(duì)我國(guó)的土地復(fù)墾具有深遠(yuǎn)意義。 1 三維激光掃描技術(shù)在土地復(fù)墾中的應(yīng)用研究 摘要： 三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測(cè)繪技術(shù)，被稱為“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼 GPS 開(kāi)發(fā)之后后又一項(xiàng)技術(shù)革命，通過(guò)和傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)的比較，介紹了三維激光掃描儀的基本原理，技術(shù)特點(diǎn)，及其與傳統(tǒng)測(cè)量比較的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效，快捷，精確，簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。本文探討了三維激光掃描技術(shù)在土地復(fù)墾領(lǐng)域的應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并且就瑞士 Leica 三維激光掃描儀及其數(shù)據(jù)處理軟件 Cyclone 的操作流程進(jìn)行探討研究。 關(guān)鍵字 ：三維激光掃描，土地復(fù)墾，沉陷監(jiān)測(cè)，測(cè)繪 第 1 章 緒 論 引言 近些年來(lái)，隨著測(cè)量服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬以及三維設(shè)計(jì)制造對(duì)測(cè)量精度的要求，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標(biāo)采集和逆向工程的需要相比這些傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域三維激光掃描技術(shù)。國(guó)家和社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善也越來(lái)越重視。 第 2 章 三維激光掃描技術(shù) 及應(yīng)用 三維激光掃描技術(shù) 三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域 GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。 系統(tǒng)組成 三維激光掃描系統(tǒng)一般由掃描儀、控制器 (計(jì)算機(jī) )和電源供應(yīng)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。 工作原理 三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量?jī)?nèi)容是高精度測(cè)量目標(biāo)的整體三維結(jié)構(gòu)及空間三維特性，并為所有基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用而服務(wù)；傳統(tǒng)三維測(cè)量技術(shù)的測(cè)量?jī)?nèi)容是高精度測(cè)量目標(biāo)的某一個(gè)或多個(gè)離散定位點(diǎn)的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)及該點(diǎn)三維特性。如：幾何尺寸、長(zhǎng)度、距離、體積、面積、重心、結(jié)構(gòu)形變，結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系、復(fù)制、分析各種結(jié)構(gòu)特性等；而后者僅能測(cè)量定位點(diǎn)數(shù)據(jù)并且測(cè)繪不同定位點(diǎn)間的簡(jiǎn)單幾何尺寸，如：長(zhǎng)度、距離、點(diǎn)位形變、點(diǎn)位移等。三角測(cè)量原理的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)反光鏡（三角形的第一個(gè)角點(diǎn)）發(fā)射到目標(biāo)上，形成反光點(diǎn)（三角形的第二個(gè)角點(diǎn)），然后通過(guò) CCD（三角形的第三個(gè)角點(diǎn)）接受目標(biāo)上的反光點(diǎn)，最后，基于兩個(gè)角度及一個(gè)三角底邊計(jì)算出目標(biāo)的景深距離（ Y坐標(biāo)），再經(jīng)過(guò)激光束移動(dòng)的反光點(diǎn)的位移角度差及 Y坐標(biāo)等計(jì)算出 Z， X坐標(biāo)。 反光鏡 的作用在于將激光束進(jìn)行水平偏轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)激光水平方向的掃描測(cè)繪功能 掃描儀主體本身的周向自旋轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)縱向的掃描，每當(dāng)水平掃描一個(gè)周期后，掃描儀主題將步進(jìn)一次，以便進(jìn)行第二次水平掃描，如此同步下去，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)所有空間的掃描過(guò)程。 進(jìn)而得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它可以工作在非常廣域的照度下及各種復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行操作。 3 圖 21 操作員使用一個(gè)便攜計(jì)算機(jī)便可在現(xiàn)場(chǎng)遙控操作。 視頻攝像可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并遙視掃描過(guò)程，還可用來(lái)捕捉所需要的目標(biāo)圖象，以便后處理時(shí)的校準(zhǔn)工 作。如圖 21。 4 點(diǎn)云是由三維激光掃描的無(wú)數(shù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的，而每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。 技術(shù)特點(diǎn) 激光掃描技術(shù)發(fā)展的重大突破為獲取高分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段，可 廣泛用于逆向工程、景觀三維可視化、數(shù)字城市、軍事偵察、測(cè)繪等領(lǐng)域的空間信息快速獲取 {7}。激光掃描測(cè)量測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，為測(cè)繪行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命。能高速獲取大面積目標(biāo)實(shí)體的空間信息。 （ 2）實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性。 （ 3）非接觸性。因而此過(guò)程中不需要人為的接觸到被測(cè)量的物體，這使得該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于危險(xiǎn)領(lǐng)域和測(cè)繪人員不可達(dá)到位置的測(cè)量等。激光具有一定的穿透性，能穿透不太濃密的植被等到達(dá)目標(biāo)實(shí)體的表面，瞬間獲取目標(biāo)實(shí)體的表面大量點(diǎn)云信息，這些點(diǎn)云信息能描述目標(biāo)表面的不同層面的幾何信息。激光掃描測(cè)量技術(shù)能快速獲取大面積的目標(biāo)空間信息，通過(guò)對(duì)目標(biāo)的直接掃描來(lái)描述目標(biāo)特征，使用龐大的點(diǎn)陣和濃密的格網(wǎng)來(lái)獲取目標(biāo)信息，采樣點(diǎn)之間的間距很小。易于更新，而且時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)直接獲取數(shù)字距離信號(hào)，全數(shù)字特征。 文物修復(fù)：對(duì)受損的文物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，要求無(wú)接觸測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法勝任，但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的非接觸測(cè)量特點(diǎn)以及高分辨率和高精度云點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取建筑物表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提供修復(fù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，對(duì)文物進(jìn)行修復(fù)。 開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)：由于三維激光掃描技術(shù)具有快捷 高分辨率 高精度等特點(diǎn)在進(jìn)行開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)是，可以對(duì)地表的移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)可以快速獲得整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的空間位置及垂直相對(duì)位置的變化 從而確定整個(gè)地表移動(dòng)區(qū)域的下沉情況。 由于三維激光掃描技術(shù)具有良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為目前測(cè)繪領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，雖然針對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段，但已在工程建設(shè)中得到了很好的應(yīng)用 隨著研究的深入及與其他測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。 可行性 三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立模型 , 最終得到高精度的 DEM 模型 , 這一過(guò)程應(yīng)用三維激光掃描儀配套的軟件就可以完成。由于三維激光掃描沒(méi)有固定的測(cè)點(diǎn) , 所以不能直接得到水平移動(dòng)值 , 要研究地表移動(dòng)的水平移動(dòng)規(guī)律 , 仍要埋設(shè)一些點(diǎn)。 7 精度分析 （ 1） 儀器本身的精度指標(biāo) [12]。不同的儀器有不同的作用 , 所以首先應(yīng)該選用合適的儀器。三維激光掃描僅憑單點(diǎn)定位精度可能并不比全 站儀等其他測(cè)量?jī)x器高 , 但是其掃描物體的模型化精度會(huì)非常高。當(dāng)系統(tǒng)的單次量測(cè)精度為 10mm時(shí) , 用最小二乘法生成的幾何模型的精度可能達(dá)到 1~2mm。然而 , 如果一個(gè)應(yīng)用不能生成固體模型 , 或在目標(biāo)表面的點(diǎn)密度很低 , 則模型的精度將會(huì)降低。而如果地表有植被 , 就要進(jìn)行 植被剔除 , 目前地面三維掃描的植被的剔除技術(shù)還不成熟 , 會(huì)造成精度的降低。掃描距離對(duì)掃描精度的影響很大 , 并不是在測(cè)程內(nèi)都能達(dá)到同等的精度 , 在距離較遠(yuǎn)處精度可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減 ,而如果測(cè)程太短 , 又會(huì)導(dǎo)致多測(cè)站 , 工作量大。 采樣點(diǎn)間距主要決定了模型化精度 , 一般在幾毫米到幾十毫米 , 間距越小模型化精度越高。所以在儀器已經(jīng)確定的情況下選擇 合適的掃描距離是關(guān)鍵。 參點(diǎn)的密度對(duì)求參精度的影響 三維激光掃描獲取大量的下沉數(shù)據(jù) , 而求參時(shí) , 一般需選擇部分點(diǎn)即可 , 需要研究點(diǎn)的密度與求參精度之間的關(guān)系。所以用三維激光掃描實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)對(duì)所需點(diǎn) 的密度進(jìn)行了研究 [13]。 小結(jié) （ 1）根據(jù)三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)分析其在礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用的可行性。 （ 2）使用三維激光掃描進(jìn)行礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)所能達(dá)到的精度由儀器、測(cè)程、地面實(shí)際 情況等決定 ,經(jīng)過(guò)分析 , 只要操作得當(dāng) , 并選用合適的儀器和合理的測(cè)程 , 完全能夠在保證效率的同時(shí)滿足精度的要求。而三維激光掃描所獲得的數(shù)據(jù)密度遠(yuǎn)高于此。 邊坡變形監(jiān)測(cè) 三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度 高精度的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)邊坡的變形監(jiān)測(cè)能反映坡體的總體變形趨勢(shì)和量級(jí)其操作過(guò)程是對(duì)邊坡定期進(jìn)行掃描，將前后兩次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，然后由處理軟件分析前后兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別，從而得出邊坡的變形趨勢(shì)和量級(jí)。 9 測(cè)站設(shè)計(jì) 根據(jù)掃描目標(biāo)的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點(diǎn)屬性設(shè)計(jì)各掃描站和控制標(biāo)靶的位置。 掃描 在選 定的測(cè)站上架設(shè)掃描儀，調(diào)整好儀器的姿態(tài)。啟動(dòng) Cyclone 軟件， 然互 建立筆記本與掃描儀的通訊，掃描過(guò)程由 Cyclone軟件 來(lái) 控制，通過(guò)集成的數(shù)碼相機(jī)拍攝掃描對(duì)象的影像，在影像上選取掃描區(qū)域。 控制標(biāo)靶中心的獲取 每測(cè)站完成掃描后，均需要對(duì)控制標(biāo)靶 做 精細(xì)掃描。 坐標(biāo)配準(zhǔn) 坐標(biāo)配準(zhǔn)的 有三種基本方法 ： 全局 方式、 配對(duì)方式以及 絕對(duì)方式。這兩種方式的共同表現(xiàn)是：在實(shí)施掃描的過(guò)程中，所設(shè)置的控制點(diǎn)或標(biāo)靶在掃描前其坐標(biāo)均未知。一般說(shuō)來(lái)，前兩種方式的處理，其 相鄰 測(cè)站間往往 需要部分重疊，而最后一種方式的處理，則不一定需要測(cè)站間的 的部分 重疊。經(jīng)坐標(biāo)配準(zhǔn)后的實(shí)際點(diǎn)云圖。 10 第 4 章 結(jié)論與展望 結(jié)論 三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域 GPS 技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。 隨著研究的不斷深入以及 對(duì)土體復(fù)墾精度等方面的要求越來(lái)越高 ，降低成本，三維激光掃描技術(shù) 勢(shì)必 在土地應(yīng)用更加廣泛， 影響也必將更加深遠(yuǎn) 。 作為測(cè)繪科學(xué)的領(lǐng)先產(chǎn)品， 三 維激光掃描 具有鮮明的優(yōu)勢(shì)，廣泛的應(yīng)用 ， 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 等 測(cè)量的特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1] 卞正富 .我國(guó)煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究 [J].資源激光， 2020， 11(3):5460. 11 [7