關于地形測量中三維激光掃描儀的應用探討

深圳市長勘勘察設計有限公司

摘要：三維激光掃描測量技術有效地解決了傳統測繪技術的缺陷，與傳統的地形測量相比，具有效率高、表現力強、測量細節豐富的特點。地形、地貌一次測量完成，并同時獲得影像模型，這一創新具有跨時代的意義。本文就地形測量中三維激光掃描儀的應用進行探討，以供參考。

關鍵詞：三維激光掃描；地形測量

前言

常用的地形圖測量方法有全站儀數字化測圖，GPS—RTK測圖等方法。但這些方法外業工作量大，且在地形險峻，人難以到達的地方往往顯得無能為力。從三維激光掃描儀的測量原理和掃描過程可知，三維激光掃描以格網掃描方式，高精度、高密度、高速度和免棱鏡地測量地表點，能詳細了解地面的細節變形和整體變化，同時三維激光掃描技術制作的地形圖精度優于傳統方法，且可大大縮短外業工作時間，將大部分時間轉為在軟件中對掃描數據的內業處理。基于三維激光掃描的地形測繪成圖技術的應用，改變了傳統測繪的作業流程，使相關外業測繪流程大大簡化，外業工作時間大大縮短，外業人員的勞動強度大大降低，內業處理的自動化程度也顯著提高。因此將三維激光掃描技術引入到地形測量中是具有重要意義的。

文中主要介紹了三維激光掃描儀在地形測量中的應用。首先對實驗采用的儀器、測區概況、控制網布設及掃描儀掃描方法做了簡要的介紹。然后介紹了將基于掃描儀坐標系統的點云數據轉換到基于施工獨立坐標系統的過程，探討了將平面坐標和高程分開轉換的方法，將轉換后的點云數據導入到Geomagic中進行重采用，同時進行數據格式轉換，方便cass繪制等高線。通過全站儀測量一定數量檢核點來驗證三維激光掃描儀精度。

1 數據采集

本次實驗使用徠卡ScanStation2三維激光掃描儀掃描地形，使用尼康DTM—3320全站儀布設控制網，其測角精度為3\"，測距精度為±13mm+2PPm。掃描區域的地形起伏較小，結構較復雜，人流量相對較小，地形表面的雜草和植被較少。

1.1控制網布設

在測區內布設獨立工程控制網，K4點為已知點，平面坐標值設為1000，1000m，高程值為500m.在測區內布設控制點如圖1，通過全站儀測角、測邊，求得控制點的坐標，使用全站儀三角高程測量獲取控制點高程。

圖1 控制點空間分布圖

1.2 測區三維掃描

將掃描儀安置在控制點K1上，在測區合適位置安置3個不在同一直線上的藍白標靶，將其中一個藍白標靶安置在控制點k5上。連接掃描儀和電源，打開電源開關讓儀器進行自檢；設置筆記本與掃描儀之間的通訊，啟動配套的Cyclone軟件并建立數據庫與工程文件，連接掃描儀并通過設置角度范圍對掃描區域進行拍照。設置好參數后進行掃描，找到控制點上標靶大致位置，對標靶進行精細掃描。然后將掃描儀架設到k3上，采用相同方法依次掃描。依次進行，直到所有掃描完成。

2 數據處理

2.1 點云數據拼接

點云拼接是多個測站點云數據的整合，是基于掃描儀不同坐標系統轉化統一的過程。點云拼接方法有：基于連接點的拼接；基于標靶的拼接；基于控制點的拼接。本實驗采用基于公共標靶的拼接，拼接后點云數據如圖2所示。

圖2 測區點云拼接后數據

2.2 點云數據預處理

點云數據預處理過程包括：點云去噪和平滑，點云抽稀壓縮，點云空洞修補等。這些過程都可以通過Cyclone和Geomagic軟件完成。

3 地形圖繪制

3.1 坐標轉換

由于獲取的點云數據平面坐標和高程是基于掃描儀坐標系統的，而地形圖采用的則是獨立工程測量坐標系，因此在用點云數據繪制地形圖前需要進行平面坐標轉換和高程轉換。將基于三維掃描儀點云數據坐標系轉換到獨立工程測量坐標系中。

3.1.1 平面坐標轉換

建立基于掃描儀平面坐標系O—X1Y1，基于工程測量坐標系O—X2Y2，，兩個坐標系關系如圖3所示。采用四參數模型進行平面坐標轉換，包括平移參數：X0，Y0，旋轉參數：a，尺度變化：。

圖3 基于掃描儀平面坐標與施工獨立平面坐標關系

對于任意一點Pi在兩個坐標系中坐標分別為（X1，Y1），（X2，Y2），存在如下關系

， （1）

其中

為求出式1中平移、旋轉和尺度變化參數，至少需要2個已知平面點，，如多于兩個可采用最小二乘法擬合求解。文中已知K3，K4，K5等3點在兩坐標系中坐標，見表1。

表1 已知點在不同坐標系平面坐標值

控制點 施工坐標/m三維掃描儀/m

K5

x1065.116-38.897

y1009.813-6.832

K3x946.025-140.909

y994.352-70.008

K4

x1000-94.118

y1000-42.634

采用最小二乘法，通過已知點平面坐標值求解轉換參數，然后將點云基于掃