1、地面三維激光掃描技術的主要應用領域有傳統測繪、文物保護、地質工程，在前面章節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、林業、石化、數字城市、廠區土地規劃、海洋工程領域也得到了一些應用。一、在礦業領域中的應用A.應用現狀研究1.主要應用方向有：a.露天礦三維模型重構與測量b.井架變形監測c.開采沉陷監測d.建設用地復墾監測e.煤（石千）石山難及區域測繪f.滑坡體監測g.地下采空區變形監測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.外業采集數據。Leica HDS8800可

2、以結合GPS作業，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。C.點云數據建模，生成DEM。在拼接好的點云數據基礎上，利用軟件進行噪音數據取出，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。剔除噪音數據經過抽吸處理后，如圖2。再利用軟件對數據進行快速建模，生成DEM，并獲得露天礦三維模型，如圖3。2）.三維模型在礦業中的應用。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Le

4、ica 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，兩次不規則曲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

5、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針對露天礦的外業數據采集，360獲取空間點云數據，能夠提高外業數據采集效率，提升內業數據處理精度。同時，豐富的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，可以讓不同專業的人士得到不同的需求。二、在林業領域的應用1.應用研究現狀。目前，國外許多林業科研工作者就三維激光掃描技術在林業方面的應用進行了深入探討。研究內容主要集中在測樹因子的獲取。林分結構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在我國林業領域的應用相對較少，目前僅局限于基本測樹因子獲取和單木三維重構兩個方面，主要原因：一是三維激光掃描系統屬于高精密度儀器，成本高昂，目前僅在少數研究項目中使用，并未在林業調查部門普及；二是該技術在數字林業建設中的應用前景還沒得到足夠重視，缺少必要的嘗試。2.林業測量應用實例。傳統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境影響很大。最重要的是外業測量數據獲取的精度并不高，影響了整體林業蓄積量調查的精度。地面三維激

7、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新方法，在豐富現有林業資源調查手段同時，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。徠卡測量系統貿易公司與南京林業大學研究人員共同合作，利用徠卡C10 掃描儀對南京林業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

8、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。4.研究數據提取。對拼接完成的數據進行去噪處理，提取需要進行研究的區域。A.胸徑、樹高提取。從樹林掃描數據中任意分割提取有

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據，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查看，通過不斷的變換視角，進行點云去噪，可以方便準確的得到我們所需要的單株樹木的點云數據。c.胸徑的提取。胸徑是指在樹木（林業上稱為樣木）的1.3m處量其直徑。根據定義我們可以通過點云查看數據與地面接觸的位置，從而確定一個最為合適的基準點來確定胸徑的位置。以基準點所在水平面為基準建立

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引入到已知大地坐標系統中去，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中，但這都不會對計算過程產生影響

11、。 先確定進行單株樹木位置信息提取的區域，對所選取區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調查，在外業掃描工作中節省了大量的人力、物力，減少

12、了外業作業時間，減輕了勞動強度。在內業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。三、在石化領域的應用1.應用研究現狀。石化企業具有現場占地面積大，裝置高，設備管線排布復雜等諸多特點。采用傳統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，使用掃描加控制網的方法可以解決此類難題。即在掃描區域內布設3個或3個以上標靶，通過全站儀取得這些標靶的坐標，然后通過控制網將所有的單站掃描結果拼接在一起最終形成了完整的掃描場景。2。應用方向簡介。石化企業中設備錯綜復雜，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可以快速、準確便捷的獲取石化裝置的實物（設備、管網、框架）的三維空間信息，在石化企業具有廣闊的應用前景。A.裝置設備管理。在石油化工企業中，高聳的煉塔是加工化工原料、提煉各種產品的主要設備，是企業工作生產的靈魂。利用三維激光采集技術，實現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）的地理信息系統動態管理，直觀的顯示現場場景、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場環境的空間視覺真實感受。目前操作員崗位學習局限在

14、書本、圖紙資料、現場培訓，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.為設備工程師提供了設備管理，更新維護的新思路，目前，設備工程師對設備的管理和更新維護局限在圖紙資料，平面操作圖以及現場查詢，增加裝置三維立體圖的應用，使設備工程師能更有效的，更精確的使用和維護設備。利用裝置三維立體圖，設備工程師能在計算機中靈活查詢管線，反應塔，閥門，儀器設備的形狀，數量，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，儀器設備的更換與設計，避免了更換，設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、瀏覽安全防護設備的安放點，一旦確定危險源或事故隱患發生險情，能夠顯示危險源和事故隱患點周邊環境，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.管網系統管理。石化企業的管道與市政管線或其他行業廠區管線相比，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了各類支撐結構。石化企業的物料管道一般都

16、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。石化企業管網現場如圖17。目前國內的石化企業，對這些管架和各類線路的管理手段還停留在紙質的圖紙和資料中，傳統的管理方式已經完全不能滿足企業發展的需要，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，體現管道在管架上的實際情況，為管網

17、的精細化管理提供技術支持。四、工業三維GIS應用實例1.項目概述。工業領域的三維GIS，突破性的把區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。對于制造類企業而言，交通即是生命的聯絡線，面對與加工于加工類企業來說，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

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、表現效果好等前提條件使得很多國際一線的GIS系統都無能為力。北京則泰集團公司自主研發的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、展現查看、運行管理等功能的應用，層為系統主體的綜合管理平臺，來解決工業上的相關問題。2.數據獲取及處理。A.外業數據掃描。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

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，大型鋼結構掃描時，要提高三維激光掃描的整體精度，可聯合常規測量手段，通常我們使用全站儀控制整體精度，廠區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，使測區內精度均勻。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量測和建模可靠性，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