三维测量范文
时间：2023-03-14 12:50:41
导语：如何才能写好一篇三维测量，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。
1 光学三维测量的分类
图1 光学三维测量技术分类图
光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。
图2 三维激光扫描工作原理图
三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪包括发射器和接收器。发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。
双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。此过程与人眼的立体视觉原理相类似[2]。
面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将明暗相间光栅条纹投影到待测物体上。物体高度的变化引起光栅条纹的形变。条纹形变可认为是载波信号相位和振幅被空间物体调制。数码相机拍摄调制后的图像，对其进行解调制，获得物体的整个高度信息值，依照三角法原理，形成物体的三维立体影像[3]。
2 光学三维测量的应用
光学三维测量技术具有诸多优势，如非接触式测量、高精确度、快速获得结果等。光学三维测量技术主要应用在虚拟现实、逆向工程、医学工程等领域。
2.1 虚拟现实
利用光学三维测量技术对实物外形进行三维形貌扫描，经过三维建模软件处理，在计算机内生成人物、场景的三维模型。由三维模型生成人物动作，实现动画制作，满足电脑游戏、CG特效等场合需要。
2.2 逆向工程
逆向工程是利用光学三维测量设备获取物体表面上所有点的三维立体坐标，根据坐标点信息利用三维设计软件进行实物模型重建的过程。逆向工程获得的模型被用于改进、完善原有的产品，被广泛地应用到磨具开发、汽车制造等领域，是现代产品快速开发的重要技术手段。
2.3 生物、医学工程
运用光学三维测量技术获得人体骨骼、肌肉的数据用于人体工程学研究。例如根据人体相关三维数据，制作出符合人体生理结构的防护头盔、防护服等。三维光学测量技术还可以测量伤口的尺寸、分析人的面部结构、设计牙齿矫形手术等。
参考文献
[1]潘建刚.基于激光扫描数据的三维重建关键技术研究[D].北京：首都师范大学，2005.
[2]隋婧，金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用，2004，30（10）：4-7.
篇2
关键词：三维数据采集；近景摄影；测量
1 近景摄影测量系统构成
（1）检查过的两个碳纤维尺两个，碳纤维尺两端的白色编码点有严格的尺寸要求。（2）非测量相机尼康D300S24mm定焦镜头，1200万像素。（3）用于摄影位置编码点和几个定位十字。（4）TRITOP软件。之所以无法跟测量相机一样进行内、外方位定位、对象（即非代码点）的定位必须依靠人工定义的特殊图形即编码的识别点才能完成，因为测量相机的使用。
下面以德国GOM公司的TRITOP光学测量系统进行说明，如图1所示。
2 近景摄影成像原理
通过摄影手段以确定目标外形的测量方法称为近景摄影测量。相机的姿态定位及数字照片的定位是近景摄影的关键技术，其定位方式直接关系到相机的成像精度。目前市场上技术成熟的非量测摄影系统有AICON公司的德通社-pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统等。使用非量测摄影系统进行三维定位点构建时，经常使用形如图2所示的非编码点和编码点的人工标识，方便于软件在定位解算时识别，是因为非量测摄影系统不具备专业量测摄影系统的定位框标，无法进行相片的内方位元素和外方位元素的定位，二维图像重建广场空间是近景摄影测量的主要任务，这是图像形成的反过程。
近景摄影测量中常用的坐标系统有三种，对物体进行三维测量可以利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程，能够解算出物方点坐标。由于对摄影精度要求较为苛刻，为了确保摄影精度，在近景摄影测量中，常常使用多重交向摄影技术对被测物体进行测量。通过一点多角度多次摄影，就能达到较高测量精度。多摄站式交向摄影。超过两次对同一点的摄影，有利于被测物体精度的提高和软件解算的稳定性。但是一般两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位。对于TRITOP摄影系统按德国VDI/VDE2634标准方法检测精度可达0.0125mm/m。
3 近景测量的主要应用
3.1 古代建筑物或者遗址的精密测绘
古代建筑一般都经历了成千上万年的历史，由于自然和人为的破坏，保护和修复工作显得尤为重要。无论是国内还是国外，越来越多的古建筑古遗址修复工作正在展开。目前传统的建筑古老的历史记录测量的方法主要有：直接测量法、免棱镜全站仪测量法、三维影像扫描法。每种测量方法都或多或少存在缺点。直接量测法的缺点是要直接接触，容易造成建筑物损坏，而且该方法效率低下，容易出现人为的误差精度不高。免棱镜全站仪测量虽然不用直接接触，避免对建筑物的破坏但是在结构复杂时精度不高。传统的测量方法很难准确地衡量古建筑的整体结构条件下，如列和光束倾斜，弯曲梁和方舟子，框架的倾斜和沉降等。使用传统建筑测量只能测量记录一个接一个，只要有轻微的疏漏就很难完整的表达，不能依照整个测量过程。使用现代的近景摄影测量手段可以更好地解决问题。
3.2 建筑物变形的测量
随着社会经济的发展，越来越多的建筑物和桥梁在各地陆续建起，在建设的过程中以及建成后我们都需要对建筑物的变形进行观测。与其他测量工作相比，变形监测要求的精度比较高，并且要求一定频率的重复观测建筑物上布置的变形监测点。获得监测点的三维（X，Y，Z）位移变化。建筑物变形监测的主要方法有三种：地面监测技术、GPS监测方法、近景摄影测量法。[5]
3.3 现场视觉及工业制造的精密测量
这几年来，伴随着制造技术的进步，也对精密测量技术提出了新要求。先进制造必备的关键技术之一就是在工业现场使用精密三维坐标测量技术。在工业上，为了得到被测物体准确的表面尺寸（监测项目的三维数据），通常使用投影光栅扫描设备。提高三维测量精度最有效的方式是使用近景摄影测量方法建立具有非编码点群的三维测量。基于测量汽车外表面为例，表达的近景摄影测量原理和使用方法，提出了以实现大尺寸物体的精确测量而使用近景摄影测量投影和光栅扫描方法的组合。结果表明，三维数据采集使用近景摄影测量方法不仅在很大程度上提高大尺寸物体的扫描精度，而且提高扫描效率。近景数字摄影视觉测量技术是一个专注于精密测量技术的研究和应用，用于精密测量，基于数字成像和摄影、图像处理和精密测量原理的基础上，一种新型的精密测量技术。传统的通用三维精密测量仪器（CMM）一般不能应用于生产领域，只能用于特殊的测量环境，因为测量仪将受到线性导轨运动的条件。最近开发了各种不同类型的三维精密测量技术和设备，以适应制造技术的进步，如：近景数字摄影、激光跟踪干涉测量系统，视觉测量系统基于机器人柔性坐标测量系统，等等。
4 近景摄影测量一般流程
在工业三维数据采集的过程中，只要遵守一定的操作流程就能获得准确的结果。但是不当的操作流程会给数据采集带来不可预知的测量误差。近景摄影测量的一般流程如下：第一，规划测量意图：确定测量方案，比例尺放置在恰当的位置。第二，选择适宜的工作环境：尽量不在强光和振动的环境下进行测量，温度20°为宜。第三，被测物体预处理：此过程一般涉及三个方面：（1）被测物体表面要贴上白色非编码定位点；（2）将白色显影剂喷涂在被测物体表面；（3）放置编码点。第四，近景摄影的测量：初始摄站位置需正对一根比例尺用来拍摄4副两两相互成90°夹角的相片，使用相机在距离被测物2m左右的地方进行多摄站拍片，完成相机标定。第五，照片处理：与TRITOP软件对整个拍的全部相片绑定，得出三维框架。第六，数据收集：定位的三维框架进行基于3d的扫描对象，得出符合测量精度的三维点云。
5 结束语
我们提出利用多重交向摄影的近景摄影测量方法，就是使用特殊人工标识，为提高大尺寸物体光栅投影扫描的精度，通过编码点即普通非量测摄像机，将解算结果利用于光栅投影扫描设备，并对非编码点建构三维空间尺寸，得到符合测量精度的密集点云。事实证明，此方法不仅实现了物体的高精度测量，而且又提高了扫描效率。关于近景摄影测量的现行趋势是：能不断满足低、中、高以及超高精度的工作要求，发展模块完整数据归算系统。总之，根据现行活动的情况和暗中隐现的趋势来看，近景摄影测量将会应用到越来越多的行业和地方，为我们的生活和工作带来便捷。
参考文献
[1]张德海.大型复杂曲面产品近景工业摄影测量系统开发[J].光电工程，2009，36（5）：122-128.
[2]冯文灏.近景摄影量测[M].武汉：武汉大学出版社，2002.
[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T12979-2008.近景摄影测量规范[S].北京：中国标准出版社，2008.
篇3
【关键词】三维激光 扫描仪 测绘 应用
RIEGL VZ-4000三维激光扫描技术是现在国际获取空间多目标三维数据最先进的长距离影像测量测量技术，由于它是将传统测绘系统的测量扩展于到了面测量，能够深入到复杂的空间和现场环境中进行扫描测量，直接将各种复杂的、大型的目标物体所扫描的点云数据完整地输入到计算机中，然后构出目标物体。
1 RIEGL VZ-4000扫描系统组成
RIEGL VZ-4000是地面型激光扫描系统的固定式三维激光扫描仪，其扫描系统组成包括以下：
（1）超长测程。高速、高分辨率提供高达4公里的超长测程以及竖直60°，水平360°的广阔视场角范围。采用不可见的对人眼安全的一级激光。
高精度以及可信赖的超远测程是基于RIEGL VZ系列扫描仪独一无二的数字化回波和在线波处理功能，即使在沙尘、雾天、雨雪等能见度非常差的天气作业时，也能按需获取高精度测量及多重目标回波的识别。
（2）波形数据输出（可选的）。数字化回波信号，也被称为波形数据，通过VZ-4000获取用于进行波形分析。
表1操作模式
Laser PRR 30 kHz 50 kHz 150 kHz 300kHz
有效测量速度
目标反射率：p≥90%
目标反射率：p≥20% 23000点/秒
4000m
2300m 37000点/秒
3100m
1700m 113000点/秒
2400m
1200m 222000点/秒
2400m
1200m
目标回波接受的最大数量 无限次回波m
（3）内置数码相机。内置分辨率为2060×1920 pixels（5M）像素的数码相机，自动曝光控制。数码相机视场范围为7.2°×5.5°（垂直×水平）可通过棱镜旋转获取覆盖整个视场一定数量的高分辨率的全景照片，与扫描测量成果相结合，创建三维数字模型，为地质、岩土、公路设计的调查提供相应的服务保障。
（4）内置双轴倾斜补偿和GPS。利用集成的GPS接收机（L1）或者外接GPS接收机，内置双轴倾斜传感器（补偿范围±10°，精度±0.008°）。
（5）内置数字磁罗盘。
（6）内置大容量数据存储。
（7）内置激光铅锤。
（8）外接电源。
（9）反射片。
（10）RIEGL软件包。
2 RIEGL VZ-4000扫描仪的基本原理
三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经目标表面漫反射后，沿几乎相近的路径反向传回到接收器，计算目标点与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量是仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，得P的坐标。
图1扫描仪三维计算示意图与公式。
3 RIEGL VZ-4000扫描仪外业数据采集
外业数据采集采用自由架站的方法进行，即不输入扫描站的坐标和定向坐标，使用RTK或全站仪采集反射片的坐标。
外业数据采集包括反射片及控制点布设与测量、数据全景扫描和外业扫描精的控制三部分工作。
3.1反射片布设及测量
在外业数据采集时，需要在测站位置周围3米外7米内布设3个以上不在同一条线上反射片。由于扫描仪与被扫描目标所形成的夹角不同、分辨率不一样，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，因此有很多测站扫描的数据拼接到一起完成。为了拼接和数据管理方便，把反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认第一站站名为ScanPos001，那么反射片点名为K001-1、K001-2、K001-3。默认第二站为ScanPos002， 那么反射片点名为K002-1、K002-2、K002-3， 以此类推。使用RTK或全站仪测量反射片坐标。
3.2确定采样间隔和数字化回波信号频率
采样间隔和数字化回波信号频率设置很重要，采样间隔大，给数据处理精度造成影响；采样间隔小，则采集到的点云数据量庞大，给数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。扫描仪内设有扫描脉冲时间60和80。
数字化回波信号频率有 30 kHz 、50 kHz、150 kHz、300 kHz四种模式。通视条件好的情况下，保证相邻测站间有一定的点云重叠区域，通视条件不好，则应选择适当位置增加扫描站数，直至需要测量的目标全部扫描完成经验值配对表。
表2经验值配对表
距离 脉冲时间 数字化回波信号频率
500米以内 80/60 300 kHz
距离 脉冲时间 数字化回波信号频率
1000米以内 60/80 150 kHz
1000-2000米以内 60 50 kHz
2000米以上 60 30 kHz
3.3外业扫描精度的控制
选择晴朗、大气环境稳定、能见度高、0℃-40℃气温的环境中扫描作业，减少大气中水汽、杂质等对于激光传输路径以及传输时间的影响；对于目标对象的透射或者镜面反射表面要做处理，防止丢失信号、弱激光信号对精度的影响；避免非静态因素的影响。例如：人、下雪、下雨、等等。
4 RIEGL VZ-4000扫描仪内业数据处理
RisCAN PRO是奥地利Riegl公司为RIEGL仪系三维扫描仪开发的软件，它具有强大的数据配准功能，能够将模型导出多种比较通用的数据格式。
外业扫描到的点云数据量非常大，既包含有用的数据，也包含车辆、行人、雪、雨等无用的数据，这些无用的数据，我们称之为噪点数据。这些点云数据必须要经过处理。从点云到测绘成果的实现包括扫描数据分区、反射片的选取、建立扫描站点云数据模型、点云拼接、坐标转换、数据抽隙、去噪点、格式转换、生成南方CASS坐标数据文件。
4.1 扫描站数据分区
根据地形和精度的限制，本工程把测区扫描站分了18个区块。
4.2反射片的选取
一般在2D视图下，灰度模式中的点云数据中选取反射片，灰度值软件根据爆光度计算。在3D视图中拖入标记的反射片来检查标记的反射片位置是否正确-，若发现反射片选取偏离，可在扫描站中的TPL中删除改点，在3D视图中重新选择。为了拼接和数据管理方便，把点云数据反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认第一站站名为ScanPos001，那么反射片点名为TP001-1、TP001-2、TP001-3。默认第二站为ScanPos002， 那么反射片点名为TP002-1、TP002-2、TP002-3以此类推。
4.3建立扫描站点云数据模型
建模设定参数主要有三个：
（1）max plane error=0.02m、（设置最大平面的误差）；
（2）max edge lenth=2m、 （设置最大三角形边长）；
（3）reference range=150m。（设置最站与站重叠长度或测程的一半）。
4.4点云数据拼接
把从各个扫描站上扫描得到的点云数据，找出正确的排列关系，使它们能够拟合成一个整体的点云数据，即把不同基准下的点云数据转换到同一基准下的点云数据，这个过程叫做点云数据拼接。其实质是把不同的坐标系下的点云数据进行坐标变换。点云数据拼接技术按过程分为，粗略拼接和精确拼接。
4.4.1粗略拼接
将不同坐标系下的点云数据大致转换到同坐标系下，为精确拼接提供出始值。通过点云数据反射片坐标TPL（socs）与RTK所测的直角坐标TPL（GLCS）进行点与点匹配。设置的容差和匹配点个数，如果无法匹配的时候首先检查容差设置和匹配点数量的设置，如果还不行，打开3D点云看选取的位置是否在所要选取的位置上，这个过程叫粗略拼
4.4.2精确拼接
通过迭代优化一组坐标转换参数，实现拼接误差最小。设置的参数（设置搜索半径，半径大小根据粗略拼的结果来定；设置误差递减，幅度不要太大。打开多站点拼接命令，选取一个扫描站作为这个区块的基准后锁定，在拼接过程中一定要一站一站拼接。根据计算的结果，重复设置更小参数直至达到最优结果；检查点云数据，看无明显分层即可。
4.4.3点云数据拼接精度控制
点云数据的拟合处理，是不同坐标系统之间转换，转换误差主要是反射片的选取、控制网的精度、测量仪器的精度。
测量控制网精度控制在cm级，扫描站之间可通视的情况下，可以选择点拟合特征点的方式拼接，选取高精度的测量仪器和测量方法，可提高成果精度。
4.5坐标转换
首先需要删除TPL（prcs）里的所有点，之后将每一站TPL（socs）中的点计算后复制到TPL（prcs），打开TPL（prcs）进行点对点匹配（坐标转换）。以下是各个区的坐标转换精度表；
（1）Correspong tiepingts（精拼坐标与RTK实测量坐标配对、坐标转换的总点数）
（2）Standard deviation（扫描点拼接后区块的中误差）
用RTK对18个区块进行高程内插检测，最小差±0.10cm，最大差±100cm，因为是高寒区允许误差为±120cm。满足地质矿产勘查测量规范要求。
4.6数据抽隙
在OBJECTS里面的POLYDATA中新建一个POLYDATA文件，然后再出现的对话框中选择所要合并的文件，并在设置中点击octree命令在increment栏中确定抽希的间隔距离，勾选Conbine命令合并选择的数据。如果认为所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。
4.7去噪点
在点云数据采集过程中，由于车辆、行人、树木等因素的影响，我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱。利用这一特点可以将噪声数据剔除。打开精确拼接后的点云数据，通过正视图、侧视图等删除躁点；部分选取数据，点击terrian filter 按钮，设置vegetation 剔除植被、mining-object剔除矿上上的物体、mining-points below terrain为剔除低于地面的点。在运行剔除植被之后，所有被软件认为是植被的点将处于选择状态，在这当中通常会有一些坡、坎上的点，手动选择需要保留的点。对点云数据进行检查把不参与生成等高线的点手动框选删除。
4.8 MTA空间
理想状态下，激光将一束束发射，每一束激光发射和接受全部信号后，下一束激光才发射，但是由于激光发射频率和扫描距离之间的相互影响，常常当发射的第一束激光时，部分距离较远的回波还没返回到扫描仪后，第二束激光已经发射出去了，这时在第二束激光发射后，第一束激光才返回来和第二束激光返回来的回波将产生影响，需要手动区分二者。
在长距离扫描仪过程中，通常看到在扫描仪周围产生很多飞点，这些飞点并不全是噪点，有些点是由于MTA效应的影响产生的，需要手动的将这些点选择，然后点击工具栏上的“MTA Tool”工具，设置MTA ZONE值为2，将这些点划分到MTA ZONE 2中去，现这些点在远处显示成了真实的地物或者地表点。有时受到能见度的影响，扫描仪测程不能达到预期效果，这时选取后的点将在远处形成球面形状，这些点意为噪点可直接删除。不使用这些点，在数据处理时可当植被点或者噪点剔除。
4.9 数据处理
拼接后点云数据在去噪处理时采用自动化和手工相结合的方式对误差影响不大。后续数据处理尽可能减少格式转化，基于点云数据的三维模型制作采用“测量――建模”模式。二维图件制作必须在测量对象的逻辑结构上进行制图。
4.10动画展示
RiSCAN PRO 软件画面中开启所欲制作动画的数据，于主要工作窗口按下右键，选择 Create NewAnimation，即可进入产生动画设定画面。将主画面数据旋转至欲制做动画的角度，按下 Add Pose 键后即可设定为第一视角，以此类推设定后续视角，软件可计算出各点飞行距离，并可设定飞行时间、速度等参数，并可预视其飞行路径；参数设定完毕后设定影片大小及压缩格式即可产生动画档案。输出档案无需专业点云处理软件亦可于其他计算机上播放（使用Windows 系统软件内建的 Media player 即可），此动画档的传输将有利于了解现场测绘的完整情形。
5 结语
三维激光扫描技术能获取目标的空间信息，具有大面积、高自动化、高速率、高精度的测量的特点，采集过程安全简单、节省人力并且具有强大的数据理能力，几乎可以提供任何位置、任何细节的信息，作业成果完全能满足高寒地区地形测量。
通过实践，发现地面三维激光扫描技术的普及也存在以下不足：
（1）数据采集过程当中受现场条件限制较多，如视场角、植被、地物，数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入；
（2）仪器设备价格昂贵，进口的基本都在200万元左右，现阶段一个生产单位完全由传统测量方式向三维激光扫描测量方式转型不太现实。
（3）仪器自身和精度检校困难，基准值求取复杂，精度不好评定。
（4）精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。
基于这些不足，提出三维激光扫描仪的发展趋势有以下几个方面：
（1）三维激光扫描仪国产化，生产单位能用普遍使用。
（2）点云数据软件处理公用化、多功能化。
（3）进一步扩大扫描范围，实现全圆扫描，获得空间目标点云数据。
相信随着技术的发展，企业生产成本的降低，三维激光扫描技术这种“所见即所得”的测量方式必将在道路工程测量、文物、模具、军事、航天、石化、医学、交通等领域得到广泛应用。
参考文献：
[1]张正禄 [等]编著.工程测量学[M].武汉大学出版社，2005.
篇4
关键词：三维激光扫描系统；地形测量；应用分析
三维激光扫描技术革新了测绘技术，它在很大程度上促进了测绘数据获取方法、处理方法以及服务能力和水平的发展。点云数据指的是采用三维激光扫描得来的一些数据。点云数据主要是结合了大量的扫描离散点。三维激光扫描具有较好的实时性、主动性和适应性，因此就可以在简单的处理之后，直接使用三维激光扫描数据，这样就可以省去很多的时间和精力；采用三维激光扫描不需要接触到被测物体，可以直接应用在很多的复杂环境中；如果想要发挥出更多和更强的效能，就可以有机的结合GPS等先进的技术。三维激光扫描技术正在突飞猛进的发展，在此基础上，必将会应用到更多更广泛的领域之内。本文为了能够将三维激光扫描系统在地形测量中的应用更加便捷的显现出来，采用了点云数据处理软件，并且讨论了可能出现在测量中一些问题。
1 三维激光扫描系统
在通常情况下，可以将三维激光扫描仪分为这几种：机载激光扫描系统、便携式激光扫描系统以及地面型激光扫描系统等等，这种划分的依据是扫面平台的不同。本次选用的是地面型三维激光扫描系统来进行地形测量，地面型三维激光扫描系统包括着很多个方面的部分，比如三维激光扫描仪、数码相机、软件控制平台、电源、扫描仪旋转平台等等。
地面型三维激光扫描系统的工作原理如下：三维激光扫描系统发射器可以将一个激光脉冲信号发射出去，然后物体的表面会对这个激光脉冲信号进行一个漫反射作用，然后这些脉冲信号会沿着同样的路径返回到接收器中，那么就可以对目标点和扫描仪之间的距离进行准确的计算。同时，每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值由精密时钟控制编码器来进行测量；三维激光扫描测量采用的坐标系往往是仪器自定义的，横向扫描面内有X和Y轴，两者是互相垂直的关系，z轴垂直于横向扫描面，如下图所以，依据这个图例，就可以将目标点的坐标求出来。
那么对激光脉冲从发出到接收之间的时间延迟进行检查，就可以得出公式1中的距离。得出了发射脉冲往返的时间间隔，就可以有效的计算出目标点和扫描仪之间的距离：S=1/2CtL。C指的是光速。
2 电云数据处理
从上文我们已将了解到，点云数据指的就是三维激光扫描系统所采集来的数据，在对点云数据进行处理时，一般分为这几个方面的内容：去除噪声、多视对齐、精简数据以及重构画面等。
去除噪声指的是将点云数据中可能存在的错误的数据进行消除；比如，在对地形进行扫描的时候，扫描仪会采集到一些不需要的数据，比如飞速前进的车辆、行人以及高大的树木等等；这些没有用处的数据是需要被删除的。
点云的精简数据指的是因为点云往往十分的庞大，这样就需要对数据进行必要的精简工作，需要特别注意的时候，精简的时候不能够影响到画面的重构，并且还不能影响到基本的精度要求；一般可以采取两种方法来进行精简数据，一种是平均精简，指的是将原来的点云设置为n个小组，然后每一个小组中留下一个；另一种方法是按距离精简，指的是对一些点进行删除，删除的目的是为了让点云中点与点之间的距离不小于某值。
曲面重构的目的是为了将扫描目标的本来面目给真实的还原出来，要想实现这个目的，在还原扫描目标的本来面目时，可以有效的采用扫描数据。通常可以将曲面分为几个种类，三角形网格、细分画面、明确的函数表示、参数曲面、暗含的函数表示、曲化的面片等等。
采用了扫描出来的数据来重构曲面之后，就可以进行三维建模的规则，从而将扫描目标的本来面目给还原出来。基本完成了点云数据处理步骤之后，在解决问题的时候就可以充分的利用点云数据来进行。
3 相关问题讨论
提高精度的一种方法：在通常情况下，多视对齐的精度在很大程度上决定着三维扫描的精度；在扫描的时候可以采用不同的位置来进行，并且站在多个视角上进行考虑，并且要按照大于等于百分之十的标准来设置相连区域的重叠度；如果采用的是POLY WORKS软件，那么要按照10毫米的标准来设置直接对齐的精度。要想实现精度提高的目的，在本项目中采用了设置控制点法，然后将扫描议可以识别的带有三维坐标数据控制点设置在重叠区域就可以实现，通过实践研究证明，如果将控制点信息加入到使用POLY WORKS软件来进行对齐时，那么就可以有效的提高精度，从而保证对齐精度能够满足相关的要求和标准。
坐标系一致：因为三维激光扫描采用的坐标系都是独立坐标系，并且是围绕着扫描仪建立起来的，那么就需要在一个统一的坐标系中融合这些独立的坐标系；只需要将公共控制点设置在相应的位置，那么点云的一致性就可以通过POLY WORKS软件来实现。设置控制点主要包括两个方面的内容，一是控制点的密度，二是位置的布设；这两个方面都十分的重要，因为后期数据处理的精度将会受到布设位置合理性与布设点的密度等方面的直接影响。
三维激光扫描的成果输出：如果在处理点云数据方面，采用的是POLY WORKS软件，那么就会有很多的成果输出来，比如一些三维坐标数据、扫描对象的三维模型等。POLY WORKS软件在某些方面还存在着局限性，会影响到很多方面的应用，但是这个软件的接口功能十分的丰富，用户可以依据自己的要求来编码满足自己需要和爱好的特殊应用，这也是软件发展的一个趋势。
4 结语
本文简单分析了三维激光扫描系统在地形测量中的应用，通过实践研究证明，在地形测量中应用三维激光扫描系统是十分可行的，但是还存在着一些问题。本次选用的是比较平缓的区域作为试验的场地，但是还是会出现一些扫描的死角，从而出现数据的不完整等情况，这样就会对下一步的工作产生不利的影响。所以，未来研究的重点就是对这些缺损的数据进行必要的修复。
参考文献
[1]史友峰，高西峰.三维激光扫描系统在地形测量中的应用[J].山西建筑，2007，33（12）：347-349.
篇5
关键词：GPS RTK 网络RTK VRS
中图分类号：TD611.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（a）-0087-02
当今科技发展非常迅速，GPS技术也随之发展，全天候、高精度、自动化、高效益等都是GPS技术的显著特色，也被测绘工作者广泛的应用，逐渐影响着我们的生活工作。GPS静态相对测量已广泛应用于控制测量。但GPS静态测量固有的缺点是外业测量在测站上需要较长的测量时间，测量成果、测量精度无法及时获取，难免要造成外业返工现象。GPS实时动态测量RTK模式，则能够克服以上缺点，以实时、高精度特点为控制测量带来业务模式突破，在工程放样、碎部采集、水域测量、地籍测量、房产测绘等广泛领域带来深刻影响，极大促进电力管线测量工作发展。
1 RTK技术
RTK技术是一种GPS经常使用到的测量方法，比如静态和动态的测量只能在利用事后进行解算才能得到厘米级的精度，然而RTK技术是一种能够实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用的是载波相位动态实差分（Real time kinematic）方法，是具有里程碑意义的应有，为地形测图、工程放样，在很大程度上提高了外业作业效率，还给各种控制测量带来了新的发展曙光。
GPS测量，特别是高精度的通常采用载波相位观测值，而RTK定位技术是基于载波相位观测值基础上的实时动态定位技术，能够实时地提供测点在指定坐标系中的三维地位结果，而且精度很高。RTK作业模式下，流动站是基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息传送给的。而且它不仅接收来自基准站的数据，还要适时采集GPS观测数据，并要实时处理系统内组成差分观测值，给出精准度在厘米级定位结果。流动站的状态，可静止也可运动；可以先在固定点上先进行初始化然后再进入到动态作业，也可以在动态条件下直接开机，动态环境下完成求解运算。在整周模糊度解固定后，即可对每个历元进行实时的数据处理，只要能够同时保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪以及必要的几何图形，流动站可实时得到精准定位。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据及已经数据传输给流动站接收机。
2 网络RTK
GPS网络RTK定位是近几年发展起来的一种高精度的GPS定位技术，它利用多个基准站构成一个基准站网，然后借助广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS中的基本原理和方法来消除或削弱各种GPS测量误差对流动站的影响，从而达到提高定位结果精度的目的。与常规RTK相比，该方法具有覆盖面广，定位精度高，可靠性强，可实时提供厘米级定位等优点，其中FKP（Flchenkorrekturparameter）的区域改正参数法技术和VRS（Virtual Reference Station）的虚拟参考站技术是比较有代表性的两种技术。
2.1 VRS技术工作原理
VRS是由Trimble公司提出的，一种基于多参考站网络环境下的GPS实时动态定位技术，通常归为网络RTK技术的一种。利用地面布设的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络（CORS）就是虚拟参考站技术，利用各个参考站的观测信息，然后建立精确的误差模型（如电离层、对流层、卫星轨道等误差模型），并在移动站的附近产生一个虚拟参考站（VRS），物理上并不存在的，由于VRS位置通过流动站接收机的单点定位解来确定，故VRS与移动站构成的基线通常只有很小的范围，移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时数据分析。
VRS技术是集因特网技术、计算机网络管理技术、无线通讯技术和GPS定位技术于一体的定位系统，它的工作是有数据控制中心，移动站点等相互配合的工作原理。具体的工作流程是：
（1）VRS技术的各个参考站通过网络连续不断地向数据控制中心传输观测数据；
（2）基准站收集数据以后，通过传送过来，由控制中心进行周模的模糊值计算。
（3）控制中心需要在移动站的附近创建一个能够发送给移动站用户的虚拟参考站（VRS），而这个虚拟参考站的数据来源需要通过流通站通过无线移动的数据连接传送到控制中心。然后这些数据才虚拟的参考站通过VRS上计算得出的各误差源影响的改正值，最后根据这些数据从而得到RTCM格式的用户读取文件。
（4）控制中心通过之前的计算得到的数据，向流动站进行发送。流动站得到这些虚拟参考站的差分信息以后，流动站与VRS技术的相互配合，通过对数据的分析，得出的定位结果非常准确。
2.2 FKP技术工作原理
FKP技术是一项由Leica公司提出的基于全网整体解算模型的主副站技术。要求所有参考站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，然后实时地传输给中心控制站，进而通过中心控制站对数据的实时处理，产生一个称为区域改正参数（FKP）然后发送给移动的用户。为了降低参考站网网络中的数据播发量，可以使用主辅站技术来播发区域改正参数，这样就达到了要求。主辅站概念为每一个单一参考站发送相对于主参考站的全部改正数及坐标信息。对于网络中的所有其他参考站，也就是辅参考站，播发的是差分改正数及坐标差。主辅站概念是完全支持单向数据通讯的，流动站的用户接收到改正数据后，可以对网络改正数进行简单的以及有效的处理，也就是内插，也可进行严格的计算，获得网络固定解。
FKP技术是集因特网、无线通讯技术、GPS定位技术和网络技术于一体的定位系统，包含若干个连续运行的参考站、、移动站、数据控制中心，其工作原理和具体的流程如下：
（1）各个参考站通过因特网向数据控制中心发送观测数据，而且是连续不断地；
（2）控制中心实时的处理包括整周未知数的所有解算，以致归算各站至公共整周未知数水平；
（3）控制中心接收到来自移动站的NMEA CGA点位信息。需要注意主站被尽可能地选在最靠近移动站点位，这样有利于数据的准确。
（4）控制中心计算为这个流动站计算网络改正数，并将它应用于来自主站的观测值；
（5）移动站点位主要是用来自参考站网的信息计算高精度。
3 RTK的优势（以主流技术VRS为例）
3.1 VRS覆盖范围
VRS网络可以有多个站，但最少需要3个。简单的计算一下：按边长70 km计算，一个三角形可覆盖面积为2100多km2。例如，北京市区面积900多km2，整个北京市区只需一个三角形（3个站）就可以全覆盖。北京全市面积1.68万 km，10个站就可以完全控制北京全市。VRS与传统的GPS网络相比，可节约成本近70%。VRS系统可提供厘米级和亚米级这两种不同精度的差分信号。我们所论述的是1～2 cm的高精度，而若是用低精度，建站距离可以拓展到几百公里。
3.2 VRS的主要优势
（1）大幅度降低费用。70 km的边长使建GPS网络费用大大降低，用户不需自行建参考站。相对传统RTK，提高了精度。在VRS网络控制范围内，精度始终在±1～2 cm。（2）提高可靠性。采用了多个参考站的联合数据，极大提高可靠性。（3）提高精度的均衡性，整网统一精度，精度始终在±1～2 cm，不受基准站与流动站之间距离影响。（4）适应更广的应用范围。城市规划，市政建设，交通管理，环保以及所有在室外进行的勘测工作。
4 网络RTK在电力管线三维测量中的应用
在上海电力管线测量中，网络RTK主要在电力管线的控制测量，电力管线的带状地形测量和电力管线的放样测量。
控制测量，通过控制测量的字面意义也能大概理解这是一种什么样的测量方法。之前的测量方法，比如导线网、工程测量、大地测量等方法都要求点间要相互联通，而且这种测量的精度也不是很准确。而且如果在之前的户外测量中精度不够准确，常规的测量方法不能精准的定位。在测量完成以后，在之后的数据处理中，发现数据不准确，也不能对之前的测量有更正。如果是使用RTK技术进行测量，仅仅需要一个人，不需要架设基准站，也不需要进行点拟和，不需要担心定位精度，只需要知道自己的要求的精度，当达到自己要求的精度，就可以完成测量，一般一个点仅仅需要几十秒的时间，这不仅可以大大减少工作强度、节省费用，而且大幅提高工作效率，从2007年以来我们运用了网络RTK的工作业绩就是有力的证明。
带状地形测量，进行管线测量的时候常常会涉及到带状地形的测量，带状地带的测量难点是，要求在测量站的几个点上，都要有相应的测量仪器，而且需要几个点有一个相互的呼应和配合，这样，测量的难度就会提高而且还需要几个人同时的进行设备的操作。而有事对于那种地形碎部点更多的区域，难测量的难度就会更高。现在用到的RTK技术，就能很好的解决这些问题。首先，他不需要那么多人的参与，只需要一个人拿着仪器在需要测量的地点上停留几秒钟，然后编制特征编码，对点位可以实时的进行定位，测量完成后，只需将仪器带回到室内进行相应的下一步操作，与仪器配备的软件分析，即可得到测量地点的图像。利用网络RTK技术仅需要一个人操作，不要求电间通视，大大提高工作效率。
电力管线的放样测量，这种测量方法，是测量的一个防止，放洋测量的具体应有就是通过把人与仪器很好的连接起来，并且设计好之前的定位点从而时间测量定位。过去一般也是要做导线控制，然后结合全站仪进行放样，现在仅需要把待放的点输入GPS控制器，然后一个背着仪器逐个点的放出来。不仅仅效率高，而且比较直观，操作简单。
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关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析
中图分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02随着科学技术的不断发展，人们渐渐将对客观事物的认知从平面二维层面转向三维立体方向，测绘工程中的三维激光扫描技术应运而生，实现了测绘过程中对物体三维层面的要求，摆脱了传统测量仪器的局限性，是直接获取所要高精度三维数据、实现可视化的三维重要手段，极大的降低了测量的成本，时间上更节约，使用更方便，而且范围应用的更广，在森林和农业、战场仿真、文物保护、工程测量、变形监测、医学研究等领域都有很大的l展空间。三维激光扫描技术的出现和应用，大大地拓宽了测量的领域，提高了测量的效率，简化了测量的强度，是目前迅猛发展并广泛应用的新技术之一。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪含括了多种先进的测量技术，可以在不接触物体的状态下主动对物体进行测量，在获取点云形式之后测量到复杂的地形及物体的表面，由点集成的三维数据，协同多种测距法的作用下计算出每个点的三维坐标，其中经常用到的测距方法有三角测距法、脉冲测距法以及相位测距法。
三维激光扫描系统根据工作原理大致分为以下三类：
（1）径向三维激光扫描仪。运用脉冲测距技术在固定中点顺着视线进行距离测量，测量到的距离可超过100m，每秒可以测得大于1000个点。
（2）相位干涉法扫描系统。通过连续的激光发射波，利用光学干涉原理得到干涉相位的测量方法，此方法适合短距离的测量，测量范围通常不超过50m，每秒钟可以成功测的10000至50000个点。
（3）三角法扫描系统。在获得两条光线信息的基础上，通过立体相机与机构化的光源，建立出立体的投影关系。此方法适合短距离的测量，测量范围在2m以内，每秒可测得100个点。
2 三维激光扫描仪测量误差分析及校检
2.1 三维激光扫描仪测量误差分析
三维激光扫描仪避免不了在测量过程中会产生误差，其中可分为两类分别为系统误差与偶然误差，系统误差可以通过多种方式来削弱，但是偶然误差是随机发生的，没有办法控制只能进行多次的重复来减少发生这样的误差。
2.2 三维激光扫描仪的校检
检测激光扫描仪测量距离的精度，经常用到的方法包括基线比较法和六段解析法。基线比较法的模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影响，加常数的检测精度较高，但只能检测加常数。
校检的模型包括以下三类：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全组合法，这种方法不需要标准基线，通过全组合方式就能获得观测数据）；基线比较模型；角度校检模型。
校检的实验测试分为以下几个步骤：实验仪器的准备以及校检场的建立。校检实验在完成测距实验、测角实验、温度环境实验等才能对结果进行分析。
测距精度和测角精度是地面三维激光扫描仪扫描数据精度的两个主要方面，在运用相关的校检模型改正观测量后，其测距与测角精度得到了明显的提高，不同地方的环境因素对激光扫描仪的影响以及目标物体对观测结果的影响还需要我们进一步的研究。
3 三维激光扫描技术在地铁隧道收敛中应用的基本思路
隧道收敛变形中用到的激光扫描技术其关键就是数据的处理，因此下面对数据处理研究进行侧重介绍。其整个过程按照以下的技术路线进行：
3.1 数据的采集
（1）提前准备好导线与水准的测量方案，以激光扫描仪性能、参数和现场环境作为参照设计出扫描站的间距及扫描点的密度，得到一些扫描重叠的点。
（2）按照测量方案对隧道内的导线及水准进行测量，将三维坐标进行传递。传递方式通过标靶进行，测量导线及水准与观测标靶同时进行。
（3）对隧道进行三维激光扫描，同时取得隧道内壁的三维点云数据，以及标靶点云数据。
3.2 数据的预处理
（1）对靶标的三维坐标进行计算：结合导线及水准测量结果，得到靶标的三维坐标。
（2）对点云产生的三维坐标数据进行归算：建立统一的三维坐标系，将各个标靶的三维点云数据归算到一起。
（3）将数据中的噪音除去：根据隧道设计数据，除去隧道中的噪音数据。
（4）将比较重要的管壁点云数据提取出来：关闭的点云数据密度并不均匀，可能是因为扫描的角度和扫描的距离造成的，我们在进行下一步数据处理之前，需要去掉那些点云密度大的范围中一些可能多余的数据点，然后在根据一定的密度将某些点云数据提取出来，这样可以大大提高进一步数据处理的速度。
3.3 三维模型的建立
以预处理之后的点云数据为参考生成地铁隧道内壁的三维模型。
3.4 成果的输出
（1）根据地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片（或每个管片、或一定间隔的管片）截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条（多项式）曲线拟合，将其与设计的断面理论值进行比较，计算出管片一周的变化量曲线，将其中的特征点进行输出，例如形变最小的的上、下、左、右或者是等角度处（如每隔10°）变形量的差值。（2）将包括每管片一周的收敛变形报告输出。
3.5 成果的管理
三维激光扫描的成果管理最主要的形式之一就是建立数据库，这样不仅能对较大量的断面数据、多次测量结果进行有效的管理，还能够大大地提高成果管理的效率。将每个管片测量成果进行数据库管理，并达到成果的浏览与分析效果。其主要的目的有以下几点：
（1）该数据库可以用于浏览每个管片断面的变化量曲线及变形量差值。
（2）该数据库中的测量成果可以通过地铁隧道中轴线方向的变形影响整个趋势，因此用来找到其他变形量大的区段。
（3）该数据库可以建立历史数据，帮助解决今后同一区段的变形趋势的问题。
（4）可以根据变形的限值，建立分析预警的模型。
4 三维激光扫描技术在隧道收敛测量中的优势
4.1 传统收敛测量方法的难点
隧道在发生形变之后，我们很难判断其是相对形变还是绝对形变，所谓绝对形变是隧道环片相对于设计或者施工时各环片的绝对变化位移，这种情况是很难测定的；二相对形变是隧道的钢体结构相对于设计或者施工初期的相对变化位移，我们所介绍的隧道收敛变形测量指的就是测定隧道的相对形变量，来进一步判断隧道形变的程度。
隧道收敛测量中经常用到布设传感器和使用全站仪测量收敛的方法，传感器测量隧道收敛方法虽然精度较高，但是常常受到环境的影响，尤其是在环境光源比较暗的情况下，所测量的到的结果精度不够，而且自动化程度不高。传统收敛测量的方法利用布设导线进行坐标的传递，通常在一圈管片上均匀设置若干个观测点，在通过全站仪对各点进行观测后获得的数据总结起来进行隧道的变形分析，传统方法有许多难点进行克服，主要表现在以下几个方面：
（1）传统方法在布点以及测量上无法保证各点严格地在同一条直线、共面，所以无法确定所测上下行线监测环在同一三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用
高元勇1，2 崔龙1
（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆疆海测绘院，新疆乌鲁木齐 830002）
摘 要：三维激光扫描技术是一种高精度立体全自动的扫描技术，可以快速、有效、准确地获取三维空间信息，全天候对任意物体进行扫描并获取高精度的物体表面点三维信息及反射率信息。随着该项技术的成熟发展，三维激光扫描技术已在变形监测、建立地面模型等方面得到了广泛应用，本文将对三维激光扫描仪测量误差分析以及三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用进行系统综述。
关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析
中D分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02横断面上。
（2）传统方法效率较低、成本较高，并且不能保证每个管片都能观测的到。
（3）传统的收敛测量不能全方位的反映出隧道形变。
（4）传统的方法对成果的分析较难，测量过程中涉及到的不可控环节较多，所测得的结果精度大幅降低。传统方法不能进行大规模数据采集，更不能够第一时间获得成果上的指导。因此我们一定要采取发现新的测量技术。
4.2 三维激光扫描技术的应用特点
三维激光扫描技术之所以被称为“实景拷贝技术”，是因为它可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，还能够快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，从而再现客观事物真实的形态特性。
（1）在现代工程建筑领域，快速准确获取建筑三维数据，不但极大程度上丰富了三维数据展示的效果，由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，为建筑工程的检测与分析提供新的手段；
（2）其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏和损伤，为检测保护与维护施工提供准确、科学的数据，发挥高新技术的积极作用；该技术可以支撑一个快速、高效、节约成本的解决方案。
（3）三维扫描技术采集隧道点云数据，对点云数据快速分割生成切片，针对切片中的散乱点提出了一种多点坐标平差计算圆心方法拟合切片圆心，对拟合的圆环与设计值进行比较，分析变化情况。本文系统地提出了基于三维激光扫描的隧道点云的收敛变形分析方法，对三维扫描技术在隧道中的应用有一定的意义。
4.3 扫描的数据用于断面测量还将会在以下两个方面得到更好的发展和应用
（1）3D建模。根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁（包括隧道内目前已有的附属设施）三维模型，为今后的隧道维护恢复提供相对原始的数据资料。
（2）轴线变化和趋势预测。将轴线与设计值的三维关系进行比对，在测量标志球位置真实的三维坐标后，拟合得到的隧道轴线就相当于真实的轴线，进而可以对隧道轴线整体变化的情况趋势进行预测。
5 结论与展望
三维激光扫描技术是一种高效、便捷、节约成本的技术，高于常规测量的收敛精度，能够为隧道收敛测量提供准确、科学的依据。本文在介绍三维激光扫描仪原理、误差产生及仪器校检的基础上，对三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用及优势进行了详细阐述。应用三维激光扫描技术在隧道的收敛方面，在保证扫描距离及点云密度的条件下，数据结果一般就能满足隧道收敛的要求，而且该技术可以快速、完整的采集隧道内部的表面数据，提高了数据采集的速度及数据处理的效率，尤其是在隧道运营时间间断不能过长的情况下，采用三维激光扫描技术快速实现作业目标。
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[关键词] 三维激光扫描 测量误差 精度
[Abstract] This article first introduces the measurement principle of the 3D laser scanning. After considered the effects in the ways of instrument，reflector and scanning environment，making a accuracy analysis of it.
[Key words] 3D laser scanner surveying error accuracy
0.引言
三维激光扫描技术是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段[1]。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是一切后续工作的基础，在数据采集过程中不可避免地会带有误差，为了提高点云数据质量，需要对误差来源进行详细的分析。1997年wallace等人研究了三角激光扫描仪的深度图像测量原理，并通过实验验证了扫描物体的移动能导致深度图像测量的系统性误差[2]。2000年吴剑锋等人详细分析了激光三角法测距的误差[3]。
1.地面型三维激光扫描系统工作原理
对地面三维激光扫描仪来说，采用的是仪器坐标系统，即所采集到的物体表面点的空间信息是以其自身的坐标系统为准的。系统以激光束发射处为坐标原点；Z轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内；Y轴位于仪器的横向扫描面内且与X轴垂直，如图1-1，由此可得点坐标的计算公式：
2.点云数据的误差来源及分析
三维激光测量误差可分为：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界环境条件影响这三类。由（1）式可知，仪器误差源于仪器本身的性能缺陷，包括激光测距的误差（S的误差）、扫描角度测量的误差（误差）；与目标物体反射面有关的误差主要是表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、风、气压等因素。在一般地面三维激光扫描作业环境下，我们认为地面三维激光扫描获取的点云数据的误差主要是由扫描仪自身的误差引起的[4],所以我们有必要弄清楚误差的来源。
2.1仪器误差
2.1.1激光测距误差
激光测距在信号处理各个环节都会带来一定的误差[2]。现在激光测距的原理有两种，脉冲式和相位式。脉冲测距产生的误差主要是计时误差，相位法测距产生的误差主要是调制光的频率误差。在仪器使用过程中，由于电子元件的老化等原因，实际的调制频率与设计的标准频率会产生微小的差别，该影响与所测距离长度成正比，称之为“比例误差”；另外，由于测距系统距离起算中心与其安置中心不一致等原因，使得实测距离与实际距离有一个固定的差数，称之为“固定误差”。对于“固定误差”和“比例误差”，可以通过仪器检定来确定，从而可确定激光测距误差。
记固定误差为，比例误差为，则测距长度为的测距误差为:
2.1.2扫描角的影响
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。
测角误差对测设点位的影响公式为：
对于三维激光扫描仪则有:
式中为测距，单位为，，为激光对同一点扫描的次数。
2.1.3激光光速发散的影响
在实际应用中，多数扫描仪系统都是采用基于激光脉冲的时间测量来进行距离量测的。由于激光束的发散特性，使得激光束到达实体表面的光斑大小影响着回射点云的分辨率和定位的不确定性[5]。假设发射激光束成圆形发散，最终到实体表面的光斑用表示，有下式成立：
式中是与激光光束发射位置有关的距离参数。一般而言，光斑的大小是随着扫描距离增加而线性增大的。发散的光斑大小可以由一个扫描距离的线性方程来表示。许多仪器厂家都标定了各自系统的光斑发散值的大小，如Trimble GX200的光斑大小为3mm/50m，莱卡HDS3000为6mm/50m。
地面三维激光扫描仪的距离测量是沿着发射光束的中心线测定的。由于激光光束的发散使得真正的点位难以预测[6]。同样由于实体扫描在之前，实体的位置和形状也是未知的。故需要一个可靠的模型来量化光束的不确定性水平。设激光束的直径为，角度定位变化是。由密度公式推出来的光束宽度的不确定性表达如下式:
根据密度方程的等方性和在任意维数的均值都为0的特性，由经验判断有，激光束的位置不确定性约等于1/4的发散光斑直径。如式:
假设角度采样间隔在和方向上是相等的。那么推导得到定位中心和实际目标中心一致的可能性与采样的间隔是有直接关系的，由密度公式:
给出中心点定位的标准偏移如下:
2.2与目标物体反射面有关的误差
扫描得到的点云的精度与物体表面的粗糙程度密切相关。三维激光回波信号的多值性[7]，使得不同的三维激光扫描系统处理的回波信号不同。以处理首次回波信号为例，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差 接近于物体表面粗糙极值的一半。
2.3外界环境条件的影响
外界环境对一切测量仪器都会产生不同程度的影响，热胀冷缩会使仪器结构产生细微的变化，较大的风力会使仪器颤动影响扫描质量。较差的外界环境条件对扫描数据质量的影响较大。
地面三维激光扫描仪的观测精度与扫描距离及扫描的精细程度有关，针对Trimble GX200三维激光扫描仪，经过实验研究发现测量主要误差来源于测距误差和扫描角误差。在扫描距离为50m时的测距精度为1~2mm，单点定位精度为6mm。
3.结束语
三维激光扫描仪目前广泛应用于各个领域，是研究的热点。本文主要研究了三维激光测量误差来源――仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界条件影响。通过实验得知了仪器Trimble GX200的测距精度和扫描精度。
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关键词：老采空区；相似材料模型；三维光学测量系统
Abstract: this paper aims to explore mining under the influence of the old mined-out rock surface movement regularity and above. The choice of universal significance in hard, mutual layer is the development of coal formation for simulation and carrier, with a mining area actual geological conditions as the foundation, the of 1:100 similar material model simulation research on the different parts above loading buildings and not loading, the 3 d optical measurement system for the ground surface and internal strata of sinking changes with time rule, for guidance similar geological conditions on loading buildings above old provides beneficial guidance.
Keywords: old mined-out area; Similar material model; 3 d optical measurement system
中图分类号： P12 文献标识码：A文章编号：
1引言
长壁全部垮落法开采老采空区残余沉降区域可分为以下三部分[1-2]：由最大下沉值组成的竖向压缩区；由下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区；由边界点到下沉拐点组成的半稳定区。
（1）最大下沉值组成的竖向压缩区。此处的残余沉降由三部分组成：冒落带岩体的裂隙闭合和压实，断裂带岩块间裂隙的闭合和弯曲带岩层的离层裂隙闭合。
（2）下沉拐点到最大下沉点组成的不稳定区。此区域的残余沉降主要包括冒落带空洞的充填、断裂带裂隙的闭合、整体弯曲带离层裂隙的闭合。
第三区残余沉降主要是由于煤层开采导致应力转移到煤壁处，使煤层及上覆岩层压缩而形成，其量有限。这里不分析这个原因产生的残余沉降值。
根据以上分析可知，老采空区残余沉降产生的主要原因之一是外载荷的作用破坏了原来冒落带、断裂带和弯曲下沉带的力学平衡关系，因此在冒落带内破碎岩体的压实、断裂带内离层的闭合和弯曲岩层的进一步弯曲都会传递至地表，最终产生残余沉降下沉。
传统的监测地表残余沉降方法主要是在开采区域上方地表建立移动观测站，由于地表残余沉降时间较长，移动观测站不容易长时间保存，这种方法往往不能得到完整的地表移动过程。相似材料模型是一种室内研究岩层移动的重要手段，具有成本低、周期短、直观形象等优点。
本文应用相似材料模型[3]，采用三维光学测量系统对开采过程进行数据采集，然后当地表下沉稳定后，再在地表下沉盆地的边界、拐点和盆地上三个位置加载载荷（按照二层建筑物等比例设计），然后再分析地表及建筑物上点随时间的移动过程。
2 相似材料模型制作和观测
（1）相似材料模型制作
相似材料模拟的实质是根据相似原理，将矿山岩层以一定比例缩小，用相似材料制作成模型。然后在模型中模拟煤层的开采，观测模型上岩层的移动和破坏情况。根据模型上出现的情况，分析、推测实地岩层所发生的情况。相似材料包括骨料和胶结料，如河砂滑石粉石膏、碳酸钙等。
（2）模型设计方案
模拟区条件按淮北某矿地质采矿条件简化得到。煤层平均厚度3.0m，采深50m，近水平煤层。老顶为中砂岩，岩性较硬；直接顶为粉砂岩灰，性脆；直接底为细砂岩，薄层状，水平层理；老底为中砂岩，硅质胶结，上覆岩层具体岩层厚度见表1。
（3）模型相似常数
模型的相似常数分别为：
几何相似比 ：100；应力相似比 ：0.6；时间相似比 ：10
表1模拟岩层分布
岩性 厚度
表土层 5
（4）模型监测线布设方案以及监测方法
采矿条件的摸型，模型高为0.73m(相当于实际73m)，其开采条件为：采深50m，走向半无限开采，煤层采出厚度3m，垮落式顶板管理，煤层倾角0°。
考虑到模型主要监测地表的移动与变形值以及覆岩破坏形态、过程，模型尺寸为2mx0.73mx0.2m的平面实验台，在每架模型水平和垂直方向均匀布设5cmx5cm的观测点，共布设740个观测点。点位布设如图1。
图1加载后测点布设 图2 系统的软件操作界面（修改）
观测方法，使用西安交通大学研发的三维点测量系统（XJTUDP）进行地表和岩层的移动观测，XJTUDP系统是工业非接触式的光学三坐标测量系统[4]，也称为数字工业近境摄影测量系统，可以精确地获得离散的目标点三维坐标，这是一种便携式、移动式的三坐标光学测量系统，可以用于静态变形分析实时测量。数据处理过程如图2所示。
3模拟结果分析
首先对模型从一端开始向前推进，模拟半无限开采，每个固定时间监测地表下沉，当地表下沉速度达到1.67mm/d起至六个月内累计下沉不超过30mm，开始加载建筑并进行持续观测。
（1）加载后地表下沉曲线
图3加载后不同观测时间地表下沉曲线 图4不同位置建筑物点随时间下沉曲线图
由图3可知，地表下沉稳定后，在地表边界、拐点上方和盆地位置分别加载载荷进行连续观测，地表下沉曲线在第1~6天最大下沉在12mm左右，从第7天开始，地表下沉急剧增大到256mm，之后地表下沉变化较缓慢，一直到第40天地表下沉稳定为止，此时最大下沉为283mm。
（2）建筑物点下沉曲线
见图4所示，1和2号点位于采区中心正上方，3和4号点位于开切眼正上方，5和6号点位于未开采一侧边界。从图4可以看出，盆地内的两个点在整个观测过程下沉值一直在增加，边界点先下沉后隆起，拐点位置的建筑上点下沉值先增加后减小；在1~27天加载时间内，各个点下沉量增加不大且平缓，在27~34天时间里，各点下沉值变化剧烈，之后各点处于稳定且下沉值变化不大。
（3）加载和未加载时地表特征点下沉曲线
由观测数据处理结果可知，选取的地表特征点：下沉盆内点、下沉盆地边缘、拐点附近和边界点比较可知，未加载时，下沉盆地内点（1、2号测点对应的建筑物）随时间的波动最大，在三天半时下沉急剧增大，之后又下沉变化波动比较平缓；加载后在拐点附近（3、4号测点对应的建筑物）随时间波动较大，在第7天时波动下沉急剧增大，之后的下沉变化不大且波动较小。
4 结论
（1）通过相似材料模型，直观的获得了长壁半无限开采从初始开采至地表稳定整个地表的下沉过程。
（2）三维光学点测量系统用于观测地表移动具有操作方便，观测间隔短，获取点位精度较高的特点，为获取地表和建筑物上点的下沉提供保障。
（3）未加载时，盆地内点的下沉值随时间变化较大；加载后，处于拐点位置的建筑物受到的影响最大。
参考文献:
[1]何国清，杨伦，凌赓娣等. 矿山开采沉陷学 [M ]. 徐州：中国矿业大学出版社， 1991.
[2]张宏贞，邓喀中，谭志祥. 老采空区残余移动变形分区研究[J]. 矿山压力与顶板管理， 2005. No2： 32-35.
[3]陈冉丽，吴侃. 相似材料模型观测新技术[J]. 矿山测量， 2011.12：84-87.
[4]陈冉丽,吴侃, 谢艾伶. 工业测量系统在相似材料模型观测中的应用研究[J]. 测绘通报，2009 (增 )：147-151.
作者简介：张宏梅（1982.2--），女，内蒙古赤峰市，2006.7毕业于中国矿业大学(徐州) ，
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关键词：三维 测量基准 数字城市
中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0255-01
1 高精度三维大地测量基准建立的内容
目前新疆已有部分城市已建立“连续运行参考站网络系统”（Continuously OperatingReference Stations，简称CORS系统），各政府部门对基础设施的建设说明了该测量基准的建立对于数字城市建立的意义，即通过对城市基础地理信息的采集、处理、分析和供应为数字城市建设提供基础信息服务。“三维大地测量基准”是基于网络的、动态地、连续地，同时也是快速、高精度地获取空间数据和地理特征的现代信息基础。
1.1 高精度GPS网控制建立
GPS网控制建立是指利用现代计算机、数据通信和互联网组成网络，及时向用户提供动态的经过检测的不同观测值以及有关信息。GPS定位技术应用于城市测量，根本变革了传统测量技术的布网方法、作业途径和程序。GPS控制网系统具有覆盖面广、定位精度高、可靠性强、费用低廉等优点，并结合厘米级大地水准面的建立，为城市规划提供全方位、全天候的数字信息服务。由基准站（参考站）、系统中心、呼叫中心、数据通信、用户应用等子系统组成建立GPS控制网需要的硬件设施有：基站配备电脑及调制解调器、基站固定电话线、手机及手机卡；软件设施有：数据库管理模块、基站状态监控模块、无线数据模块数据通讯管理模块；最后还有接受GPS信息的RTK机。
1.2 厘米似大地水准面建立
确定厘米似大地水准面需要建立在GPS大地高、水准高、DTM（数字地形模型）、重力数据这四个数据基础之上，采用移去回复法计算重力似大地水准面，然后将重力似大地水准面拟合于GPS水准得到实测似大地水准面。其精度指标也根据地形变化，平底似大地水准面精度一般在1厘米上下波动，而山地似大地水准面精度在1～3 cm精度范围内皆可。由于我国多丘陵山地，地面高度起伏较大，重力资料获取困难，为了精确似大地水准面就只能从严控GPS和隋准测量的数据着手，整体考虑C级GPS网和水准网的技术方案和施测方法，确保GPS网和水准网技术方案、点位密度、观测方法和似水准面精化的目标一致。
1.3 连续运行参考系统的建立
GPS连续运行参考系统是指在一定的区域内布设一定密度的能不间断运行的GPS卫星定位跟踪站，其基本构成为基准站网子系统、监控分析中心、数据传输子系统、数据发播子系统、用户应用子系统。
（1）基准网站子系统。该系统包括若干永久性GPS卫星连续观测站跟踪站和与之配套的数据预处理和传输设备，基准网站子系统采集GPS卫星观测数据并将数据输送至监控分析中心，同时提供系统运行状态和可靠程度的完好性检测数据，通过通信网络和广播网络向用户提供服务。
（2）监控分析中心。该中心接收各种跟踪站传输回来的数据，通过计算机局域网进行数据分流、分发、存贮、分析，按照国际通用的标准格式或自定义专用格式向不同的用户发送供不同需求的数据库提供多种信息服务和监控服务。
（3）数据传输子系统。是指基准站数据通过有线或无线通信网络传输至监控分析中心。其中，随不同的条件可采用数字数据网、因特网、vast等，该系统运作的最大特色是信息容量打、传输速率高，能有效满足跟踪站网与监控分析中心间的海量数据传输。
（4）数据发播子系统。该系统是向用户发送发播定位、导航、定时等多种数据，开展数据服务的主要途径。主要的数据发送手段有：因特网、HUF/VHF/FM/MW等无线电台或广播电台、GSM/CDPD等移动通信终端。
（5）用户应用子系统。包括用户GPS接收机，连续运行参考框架网的数据服务信号接收机，数据处理软件和多种科学和工程应用软件。
2 建立城市高精度三维大地测量基准的必要性
数字化、网络化、信息化是我国现在城市化发展的重要特征，各级规划、国土和测绘部门急需提高其提供基础地理信息的能力。建立三维测量基准能帮助数字城市规划获得更精准的测绘数字信息，具有传统测量技术不可比拟的优越性。首先，建立城市高精度三维大地测量基准是城市发展的必然。根据联合国人居中心预测，全球城市化水平在2025年将达到65%，而我国目前城市化水平仅达30%，我国今后十年的发展取向必然是城市化进行加快。其次，建立城市高精度三维大地测量基准是完善基础测绘的需要。测绘是城市化发展的支持和保障，建立城市高精度三维大地测量基准能提供城市平面坐标系统和高程系统的统一性和精确性，并及时更新和保存测量成果，为经济建设提供可靠服务保障。再次，建立城市高精度三维大地测量基准是建立“数字城市”的需要。“数字城市的建立必须建立在高精度三维大地测量成果之上，高精度三维大地测量基准能为“数字城市”建立提供精准、动态的地理空间基础框架数据。最后，以GPS为代表的定位技术的发展和高精度大地似水准面的实现也说明了高精度三维大地测量基准的建设是现代测绘行业发展的必然趋势。
3 建立高精度三维大地测量基准对于数字城市建设的意义
建立高精度三维大地测量基准是建设数字城市的基础工程。建立城市高精度三维大地测量基准的主要目标是运用网络、GNSS、现代大地测量、地球动力学等技术和方法，提供移动定位、动态连续的空间参考框架和地球动力学参数等服务，建立平面、高程、重力场信息于一体的综合性高精度城市三维基准。数据是数字化城市建立的物质基础，随着城市建设规模的扩大，传统的城市平面控制系统难以满足城市空间地理信息的采集和工程建设的需要，只有建立高精度三维大地测量基准才能为数字城市建设提供精度高且均匀的测绘数据服务。
4 结语
建立高精度三维大地测量基准是城市建设测绘工作的需要，也是测绘行业发展的标志。我国许多城市已建立了三维大地测量基准，但从理论上来说，我国目前尚未对该系统得出一致的研究意见，城市空间数据的分类、集成、更新、共享与标准化还不够成熟与完善，需要相关理论与实践部门加强研究，以促进测绘行业的发展，进而惠及数字城市建设与国家经济发展。
参考文献
[1] 史慧珍.数字城市规划的技术方法研究[D].清华大学，2004.
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【关键词】水利水电工程；三维实体地形；工程测量
传统的水利水电工程测量方法是采用断面法作出方量统计，然后做出计算结果。但是断面的切取方法不同，所获得的计算结果也会存在差异。随着三维立体制图软件的不断升级，更为适合水利水电工程测量的软件系统功能更为全面，系统的开放性让越来越多的工程测量人员所接受，且在复杂的施工环境中操作方便。
一、三维实体地形的绘制程序
（一）投影基准面的确定
在水利水电工程测量中，采用三维实体地形技术，就建立三维实体地形模型。将投影基准面确定下来是建模的基本条件。投影基准面的高程包括两部分，即投影底面高程和投影顶面高程，其中的投影底面高程为基础高程。在工程测量中应用三维实体地形技术，对投影底面高程和投影顶面高程的取值原理都有所规定，要求基础高程要比水利水电工程的最低高程还要低，且底面高程要统一。按照投影顶面高程的取值原理，是要求取值要高于水利水电工程的最大高程。
（二）三角形网的建立
水利水电工程测量中，运用三维实体地形技术将三角形网建立起来，以对各项数据进行计算。三角形网的建立是基于碎部点数据而生成的，基本操作上，是在碎部点中确定一个点，为第一个点；以计算的方式将距离碎部点最近的一个点找出来，为第二个点；之后的工作就是将两点之间可以形成最大夹角的点寻找出来，为第三个点，三点构成一个三角形。第三个点的确定利用余弦定理计算出来，公式：c2=a2+b2-2abCosc。当三角形构成之后，将三角形的三边向外延伸，对各边的利用次数进行判断，其是否大于2次，之后所有的碎部点都连接起来，三角形网构成[1]。
在三维实体地形技术的应用中，基础高程计算所获得的结果可以实现三维实体地形与实际地形一致，顶面高程计算所获得的结果可以实现三维实体地形与实际地形相反的结果。
二、水利工程测量中三维实体地形的应用
水利工程所发挥的重要功能是调节当地的水资源，防止出现洪涝灾害。水利工程施工中，要对各种水利建筑，诸如大坝、渠道、隧洞、水闸等设计方案有所考虑，不仅需要在施工之前对施工设计方案进行研究，还要充分了解施工现场周围环境，特别是河道周边的地理环境，需要以详细的数据体现。目前水利工程的勘察测量中，可以采用三维实体地形技术，将工程施工现场的地形、地貌、地质情况等等元素都融入到三维实体地形中，运用三维实体地形结构算法将地形设计出来。
三维实体结构算法的选择，要根据水利工程设计需要确定采用相应的算法。剖面成面法可以将处于帷幕轴线上的第四系厚度做出计算结果，水层的分布范围也可以做出判断。所有的这些判断，都是通过计算，将地质剖面图绘制出来运用DEM生成技术将各个层面绘制出来，形成三维实体模型。运用直接点面法对三维实体结构进行计算，运用了原始的线状数据，将数层分开，且确定标高位置，各个层面的绘制则采用了曲面构造方法。通常水利工程施工地形复杂，会采用直接点面法进行测量。拓扑分析法是建立在不同层面的离散关系的基础上的，对离散点间的空间关系加以确定，构建地质过程中，则是根据空间拓扑距离来完成[2]。与剖面成面法和直接点面法相比较，拓扑分析法的运用相对复杂，所获得的计算结果也是最为准确的，对水利工程质量更有保证。
三、水电工程测量中三维实体地形技术的应用
水电工程的功能是发电，主要的构成为挡水建筑物和排水建筑物、发电系统、引水系统等。水电站建设的根本条件就是要求附近有水源地。这就需要采用三维实体地形技术对工程施工所在地进行地形测量。水电工程测量中，除了要对地质结构有所考虑之外，还要对周围环境的变化规律进行分析。水电测量中，运用三维实体地形技术，不仅要对施工所在地的地质情况和地形以测量，还要对水电工程的总体布局进行判断，并做出剖面图。
水电工程测量中主要考虑的问题包括测量工作所在环境条件、地形地质情况、困难地形对三维实体地形技术所存在的制约等等。
水电工程的三维实体地形测量中，由于测量工作环境复杂，必然会对设计选型、施工建造等产生一定的影响。当水电工程投入使用后，也会受到环境影响而引发事故。因此，水电工程建设要做好地形测量，并对地质状况做出准确的判断。运用三维实体地形技术将数字化三维立体地形构建出来，根据工程施工情况还要对地形图不断更新，以确保工程施工中对现场的地貌、地形和地质状况随时掌握。此外，运用三维实体地形技术还能够在工程施工任意一个环节对工程表面积、体积等等数据准确计算出来，并建立三维立体架构模式，以满足多个专业技术协同作业[3]。
水电施工中遇到困难地形是必然的。运用三维实体技术对困难地形的制约条件进行观察、分析，做出计算结果，以制定必要解决方案，做到水电工程合理施工。三维实体地形技术所构建的三维立体模型，能够对各种施工方案的可行性进行分析，以调整施工方案，提高施工进度。
结论：
综上所述，计算机技术的发展，推动工程技术不断更新。水利水电工程测量是确保工程施工质量的重要环节。为了弥补这一弊端，三维立体技术被运用于水利水电工程测量中，测量人员使用三维立体设计常用软件，不仅可以将工程测量模型立体呈现，还能够对工程设计的细节之处进行计算。鉴于传统的工程测量方法即便是经验丰富的技术人员也难以作出精确的计算结果，采用三维实体地形技术，可以获得更为准确的测量结果。
参考文献：
[1]胡D， 张运东， 张强.三维CAD技术在水利水电工程设计中的应用分析[J].硅谷，2013（23）：66.
