三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，利用激光測(cè)距原理，通過高速激光掃描測(cè)量方法，大面積、高分辨率地獲取被測(cè)對(duì)象表面的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及大量空間點(diǎn)位信息，可以快速建立高精度(精度可達(dá)毫米級(jí))、高分辨率的物體真實(shí)三維模型以及數(shù)字地形模型。是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。
相較于傳統(tǒng)二維平面圖紙的抽象表示，三維激光掃描技術(shù)，可以直觀反映真實(shí)世界的本來(lái)面目，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要有文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故分析、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事等。
三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)其搭載的不同的平臺(tái)分為：
（1）固定式激光掃描系統(tǒng)
也稱地面三維激光掃描儀，使用時(shí)在地面不同方位設(shè)置測(cè)站進(jìn)行掃描。
（2）車載激光掃描系統(tǒng)
以汽車作為平臺(tái)，在連續(xù)移動(dòng)過程中連續(xù)快速掃描。
（3）機(jī)載激光掃描系統(tǒng)
以無(wú)人機(jī)或有人機(jī)作為平臺(tái)，在空中對(duì)地面進(jìn)行連續(xù)快速掃描。
（4）手持型激光掃描系統(tǒng)
屬于便攜式激光掃描儀，使用簡(jiǎn)單、快捷、輕便。
（5）背包式激光掃描系統(tǒng)
采用人工背包式背負(fù)作業(yè)，能適應(yīng)復(fù)雜路線及環(huán)境。
（6） 推車式三維激光掃描系統(tǒng)
三維激光掃描系統(tǒng)通過掃描目標(biāo)物體，可獲得海量的高精度空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單點(diǎn)精度可達(dá)到毫米級(jí)，并且可具有真實(shí)色彩信息。獲取的點(diǎn)云模型能充分體現(xiàn)出目標(biāo)物體的三維特征信息。根據(jù)不同的需求，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析、處理，可以獲得滿足不同需求的豐富數(shù)據(jù)，從而在不同領(lǐng)域發(fā)揮不可比擬的重要作用。
一、古建文物保護(hù)領(lǐng)域
三維激光掃描的測(cè)量方式可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能在較短的時(shí)間內(nèi)獲取所測(cè)古建筑的三維數(shù)據(jù)，從而為后期修繕保護(hù)、模型存檔等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
根據(jù)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成古建正射影像
根據(jù)正射影像可繪制古建平面、立面及剖面圖等傳統(tǒng)施工圖紙
根據(jù)三維點(diǎn)云模型可輔助建模，細(xì)節(jié)更加豐富，模型更加真實(shí)準(zhǔn)確，方便后續(xù)對(duì)古建的修復(fù)、維護(hù)及展示等工作。
二、工程領(lǐng)域
1.地形測(cè)量
三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域，其最基本的應(yīng)用之一就是地形圖繪制。基于掃描的精細(xì)點(diǎn)云可直接生成三維地形模型，自動(dòng)提取等高線，同時(shí)可獲取三維及二維數(shù)據(jù)資料。與傳統(tǒng)測(cè)繪手段相比，三維激光掃描具有：效率高、細(xì)節(jié)豐富、成果形式多樣。一次測(cè)量，地物、地形同時(shí)獲得。
3D數(shù)字高程
三維地表模型
2.規(guī)劃、設(shè)計(jì)
項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，首要工作是獲得項(xiàng)目及周邊的環(huán)境信息，環(huán)境信息越充分，規(guī)劃設(shè)計(jì)工作越得心應(yīng)手。采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)項(xiàng)目目標(biāo)環(huán)境進(jìn)行掃描，取得的高精度三維模型，不僅直觀、真實(shí)，而且包含有項(xiàng)目目標(biāo)的全部空間信息，對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作可以起到事半功倍的效果。
在取得的三維空間信息的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步進(jìn)行日照分析、管道分析等。
3.老舊建筑的維護(hù)、修復(fù)、測(cè)量
對(duì)于老舊建筑，采用三維掃描技術(shù)可以逆向繪制CAD圖紙，輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、測(cè)量等工作。
三維激光掃描點(diǎn)云模型可以獲得現(xiàn)狀建筑的全面數(shù)據(jù)。
根據(jù)點(diǎn)云模型返畫CAD圖可獲得高精度的設(shè)計(jì)圖紙。
4.工程測(cè)量
由于具有高精度、掃描數(shù)據(jù)全面的特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工程測(cè)量，并在某些方面解決傳統(tǒng)手段解決不了的難題，發(fā)揮獨(dú)特的作用。
(1) 監(jiān)理測(cè)量
三維激光掃描是真實(shí)場(chǎng)景的復(fù)制，資料具有客觀可靠性，為監(jiān)理隱蔽工程、重點(diǎn)部位工程質(zhì)量提供有效依據(jù)，為避免日后的糾紛提供了客觀依據(jù)。
(2) 竣工測(cè)量
竣工測(cè)量要求對(duì)實(shí)際施工完成的建筑物進(jìn)行測(cè)量，基于對(duì)實(shí)景掃描及高精度的特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)在對(duì)異形建筑測(cè)量等方面，可以發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
(3) 隧道測(cè)量
通過三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量，獲取隧道表面海量數(shù)據(jù)點(diǎn)，可生成真實(shí)隧道模型，無(wú)論是超欠挖分析還是收斂變形分析，結(jié)果都更加精準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)全面，海量點(diǎn)云，還原隧道真實(shí)形態(tài)，細(xì)節(jié)也清晰可辨，數(shù)據(jù)可隨意查看。
結(jié)果精準(zhǔn)，可達(dá)毫米級(jí)的測(cè)量精度，準(zhǔn)確反映隧道變化情況。
收斂變形分析：基于多期數(shù)據(jù)，可進(jìn)行隧道收斂變形分析。
超欠挖分析：通過點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，可自動(dòng)生成超欠挖報(bào)告，得到各段超欠挖體積分析，同時(shí)也可在任意斷面處查看形態(tài)對(duì)比。
5.變形監(jiān)測(cè)
由于三維激光掃描技術(shù)具有高精度的特點(diǎn)，在一定的條件控制下，精度可達(dá)到1毫米以內(nèi)，三維激光掃描技術(shù)可以用來(lái)對(duì)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要應(yīng)用在建筑物變形監(jiān)測(cè)、基坑變形監(jiān)測(cè)、橋梁變形監(jiān)測(cè)、隧道變形監(jiān)測(cè)以及地表形變監(jiān)測(cè)等方面。
建筑物變形監(jiān)測(cè)
基坑變形監(jiān)測(cè)
橋梁變形監(jiān)測(cè)
6.土方和體積測(cè)量
采用三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌進(jìn)行掃描，獲得現(xiàn)場(chǎng)高精度三維地形數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以計(jì)算出土方工程量或其它相關(guān)體積。
根據(jù)項(xiàng)目情況，采用地面三維激光掃描儀在不同站點(diǎn)進(jìn)行掃描。
掃描后，現(xiàn)場(chǎng)原始地貌被真實(shí)、直觀、精確記錄。
根據(jù)需要可以處理出地形圖、等高線、三維模型等各種數(shù)據(jù)成果。
現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高點(diǎn)位數(shù)據(jù)可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)核。
測(cè)量成果可進(jìn)行存檔，土方體積計(jì)算可采用方格網(wǎng)等方式進(jìn)行復(fù)核，方便后續(xù)審計(jì)、結(jié)算。
7.礦山測(cè)量
由于礦山地形復(fù)雜，采用全站儀和GPS等傳統(tǒng)的測(cè)量手段進(jìn)行高精度測(cè)繪工作往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。特別隨著數(shù)字礦山概念的提出，礦山管理對(duì)空間三維信息的需求也顯得更加迫切，三維可視化的管理模式已經(jīng)成為數(shù)字礦山的主要內(nèi)容之一，而目前常規(guī)的測(cè)量方式所獲取的數(shù)據(jù)很難滿足三維數(shù)字礦山的需要。近年來(lái)快速發(fā)展的三維激光掃描技術(shù)為解決復(fù)雜的礦山地形測(cè)量和數(shù)字礦山建設(shè)提供了新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)具有高分辨率、高采樣率以及非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于獲取礦山的復(fù)雜表面和高危區(qū)域的空間三維信息。
8.三維掃描+BIM應(yīng)用
三維激光掃描與BIM均以三維模型為中心，兩者存在天然的相關(guān)性。三維激光掃描是BIM應(yīng)用中最基礎(chǔ)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)三維實(shí)際進(jìn)行采集后與BIM進(jìn)行結(jié)合，才能發(fā)揮BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。
(1) 三維掃描協(xié)助BIM進(jìn)行逆向建模
通過三維激光掃描取得真實(shí)、精確點(diǎn)云模型。
采用相關(guān)軟件輔助建立BIM模型。
在沒有目標(biāo)圖紙資料的情況下，采用三維激光掃描建立BIM模型是最高效的手段。建筑建成后，即使有原始圖紙資料，采用三維激光掃描建立的BIM模型更符合實(shí)際修建完成的建筑，方便后期的運(yùn)營(yíng)管理。
(2) 輔助裝飾裝修等二次設(shè)計(jì)
掃描取得的點(diǎn)云模型提供直觀及全面的原始室內(nèi)原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。
在真實(shí)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的裝修設(shè)計(jì)更加完善、減少變更及返工。
在真實(shí)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)精度和施工質(zhì)量。
(3) 施工檢測(cè)及驗(yàn)收
BIM模型可以指導(dǎo)施工，三維掃描模型可以描述真實(shí)情況，將兩者進(jìn)行對(duì)比，不僅可以發(fā)現(xiàn)施工偏差，還可以檢測(cè)施工質(zhì)量。
實(shí)際施工模型與設(shè)計(jì)BIM模型對(duì)比，可以檢查施工偏差情況。
施工偏差及施工質(zhì)量分析數(shù)據(jù)一目了然。
9.工程存檔及展示
在工程建設(shè)當(dāng)中，有很多工程存檔及項(xiàng)目展示的需要，采用三維激光掃描技術(shù)可以全面對(duì)工程進(jìn)行存檔，全方位對(duì)工程進(jìn)行展示，滿足工程后期結(jié)算、索賠，以及對(duì)樣板工程進(jìn)行展示的需要。
10.鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)
采用三維掃描技術(shù)將復(fù)雜零部件的三維尺寸精確進(jìn)行掃描，并將得到的點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型做精確地三維偏差分析，從而分析出零部件與設(shè)計(jì)模型的偏差，檢測(cè)制作質(zhì)量。
無(wú)接觸式自動(dòng)測(cè)量，高效快捷。
海量三維真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即便是復(fù)雜異形鋼構(gòu)件也可全面測(cè)量記錄。
毫米級(jí)測(cè)量精度，保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，采用色譜圖反映實(shí)際制造成果與設(shè)計(jì)模型間偏差，顯示更加全面直觀。
11.公路改擴(kuò)建測(cè)量
在公路改擴(kuò)建工程中，對(duì)已有舊路占地邊線、路基、路面、橋涵的測(cè)量和現(xiàn)狀描述對(duì)設(shè)計(jì)過程中的參考與決策尤為重要。采用車載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，每秒百萬(wàn)點(diǎn)的測(cè)量速率，40-60公里每小時(shí)的行駛速度，可快速獲得路面點(diǎn)坐標(biāo)信息及道路兩側(cè)地形情況。數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量和有效性高于傳統(tǒng)的人工采集。
通過先進(jìn)算法進(jìn)行點(diǎn)云解算，點(diǎn)云精度可達(dá)5cm，滿足公路改擴(kuò)建測(cè)量精度要求。
成果豐富。海量點(diǎn)云可提取車道線，生成公路橫斷面、地形圖等成果。
三、數(shù)字化園區(qū)
隨著信息化整體加快以及物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，對(duì)園區(qū)智能化管理提出了更高要求。作為數(shù)字化的前提，精準(zhǔn)的三維模型數(shù)據(jù)尤為重要，而點(diǎn)云處理對(duì)于精準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)的獲取有著天然的優(yōu)勢(shì)。
點(diǎn)云高程渲染圖
建筑三維模型圖
建筑模型渲染效果圖
四、電力管理領(lǐng)域
對(duì)已建成的電力網(wǎng)絡(luò)，需要有效地對(duì)其進(jìn)行巡線管理，以確保電力的安全輸送。
多平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)具有快速獲取高精度激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得輸電線路相關(guān)距離測(cè)量的數(shù)據(jù)，適用于對(duì)新建線路的走向選擇設(shè)計(jì)、對(duì)已建線路的危險(xiǎn)點(diǎn)巡線檢查、線路資產(chǎn)管理以及各種專業(yè)分析。
以高精度、高分辨率正射影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合架空送電線路設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)、桿塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的一體化全流程應(yīng)用。基于剖面進(jìn)行塔位優(yōu)化，根據(jù)塔位坐標(biāo)數(shù)據(jù)、塔基斷面數(shù)據(jù)對(duì)線路各種指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)云可以檢測(cè)建筑物、植被、交叉跨越等對(duì)線路的距離是否符合運(yùn)行規(guī)范,線間距是否滿足安全運(yùn)行的要求；同時(shí)相機(jī)獲取的高清晰度的影像，可以讓巡檢人員在室內(nèi)進(jìn)行線路設(shè)施設(shè)備和通道異常的判別。根據(jù)分類得到的電力線、植被和地面等分類的點(diǎn)云，可以計(jì)算出靠近電力線的植被并標(biāo)記出來(lái)，可以起到預(yù)警的效果。
通過采集的高精度激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，處理成DOM、DEM，結(jié)合分類后的點(diǎn)云，可以實(shí)現(xiàn)電力線路三維建模，恢復(fù)線路走廊地形地貌、地表附著物(樹木、建筑等)、線路桿塔三維位置和模型等，輔以線路設(shè)施設(shè)備參數(shù)錄入，可實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理。
五、道路建模
城市道路作為連接城市不同功能區(qū)的空間紐帶以及城市空間信息流的主要載體，其三維模型是數(shù)字城市不可或缺的重要組成部分。道路三維模型一般是由路面模型及其附屬構(gòu)造物組成，而三維激光掃描技術(shù)能快速獲取詳細(xì)道路面高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)構(gòu)建出更精細(xì)的道路模型。
點(diǎn)云高程渲染圖
點(diǎn)云強(qiáng)度渲染圖
道路三維模型圖
六、影視制作領(lǐng)域
在影視拍攝中，一些特殊的場(chǎng)景和道具無(wú)法進(jìn)行實(shí)拍，或者在一些大型動(dòng)畫的制作中，采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)場(chǎng)景或道具進(jìn)行掃描、建模，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期制作，在大大減少人力投入的同時(shí)，效果也更顯逼真。
七、結(jié)語(yǔ)
三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不僅限于以上場(chǎng)景，由于與真實(shí)三維世界高度契合，符合大數(shù)據(jù)時(shí)代的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用必定在相關(guān)領(lǐng)域中快速發(fā)展、大展身手，讓我們拭目以待......
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