三維激光掃描儀在地形測量中的一體化應用

摘 要：在地形測量一體化中，三維激光掃描技術具有傳統測量方法所不具備的優勢：無需接觸被測地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點云數據。本文以三維激光掃描儀對四川省漢源縣萬工集鎮的滑坡區進行掃描為例，介紹了三維激光掃描儀在一體化測量中的控制網布設、外業數據采集、內業數據處理、地形圖繪制等流程，并分別采用平面誤差、高程誤差和平面中誤差、高程中誤差兩種方法檢查了測圖質量。其結果表明，該方法完全可以滿足地形測量精度要求。

關鍵詞：三維激光掃描 數據處理 地形圖 誤差 精度

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0058-01

地形測量一體化是運用測量儀器及技術，對某一地形進行外業測量，并通過內業進行數據處理、建模、生成地形圖的一體化生產過程。對于地形測量，常見的技術方法是全站儀測圖、GPS-RTK測圖、攝影測量等。而對于危險區域的地形測量，如高海拔、地形險峻、環境惡劣區域的地形數據采集，傳統的測量方法如全站儀測圖不能快速的獲取數據，且存在采點困難、作業效率低下等問題，而攝影測量雖然可以一次性獲取大量空間信息，但存在周期長、效率低等問題。三維激光掃描技術實現了傳統測量方法所不具有的優點：無需接觸被測地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點云數據。三維激光掃描技術是一種新型的空間信息數據獲取手段，已經在變形監測、文物保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域得到廣泛運用[1-3]。

1 三維激光掃描儀在地形測量一體化中的運用

1.1 測區概況

本次測區為一滑坡，其位于四川省漢源縣縣城東南約20公里的萬工集鎮，地處大渡河瀑布溝庫區左岸，屬于高中山地形，掃描區域的地形起伏略大，植被較少，減少了對采集到的云數據的干擾，對數據的預處理比較有利，提高了點云數據的真實性和可靠性。

鑒于本項目的地形特點，決定采用Leica Scanstation2三維激光掃描儀進行測量，使用拓普康GPT-7502全站儀布設控制網，其測角精度為2”，測距精度為±（2mm+2ppm）。

1.2 控制網布設

為了在統一的坐標系下對點云數據進行匹配拼接，在測區范圍內埋設了用于設站和定向的控制點K1～K6，其均勻布設在測區內。掃描站點選擇在視野開闊的區域，在保證精度的情況下，能最大范圍的掃描到目標。

1.3 外業數據采集

考慮到該地形的特殊性，采用分站式的掃描方式對測區進行大面積的掃描，即以測站為中心，對周圍一定距離半徑的區域進行掃描。

該三維激光掃描儀與常規全站儀測量不同，可采用已知后視點坐標的自由設站法，置平后無須定向即可測量。將儀器安置在K1上，在測區選擇3個不在同一條直線上的點安放藍白標靶，將其中一個標靶安置在K2上，啟動配套的Cyclone軟件并建立數據庫與工程文件，通過設置角度范圍對掃描區域進行拍照，設置好參數后對目標區域進行掃描。然后依次把掃描儀架設在K3、K5、K6、K4、K2上，采用相同方法進行掃描，直到所有掃描完成。

每測站掃描結束后進行數據的現場檢查，判斷是否有區域掃描遺漏，檢查標靶的采樣率是否符合要求，檢查無誤后對每一測站的數據進行命名，包括測站名稱、掃描順序等，然后保存。

1.4 內業數據處理

點云數據采集完成后，應用Cyclone軟件及Geomagic Studio 12軟件對采集的數據進行處理。其處理過程主要包括：不同測站點云的拼接、噪聲處理、點云濾波平滑、抽稀壓縮、空洞修補及數據輸出。

1.5 地形圖的繪制

經過預處理得到的點云數據其三維坐標是基于掃描儀坐標系統的，而地形圖采用的是國家坐標系統，因此，在用點云數據繪制地形圖前需將基于三維掃描儀的點云數據坐標系轉換到國家坐標系中。在此采用四參數模型進行平面坐標的轉換，而高程的轉換采用平面擬合法。

轉換完成后，從點云數據中提取居民地、交通設施、河流、陡坎、獨立地物等地物點坐標并編輯制圖。其他高程點過濾植被后，按照成圖比例尺大小，選擇合適的點間距，稀釋點云數據，將采樣得到的點云數據導入到CASS中建立DTM模型，生成等高線。將地物和等高線圖形進行疊加編輯，最終完成地形圖。

1.6 成圖質量檢查

對三維激光掃描儀所獲得的點云數據所成的地形圖進行質量檢查，主要采用全站儀所測檢核點的三維坐標和三維激光掃描儀掃描得到的點三維坐標進行對比計算，求出此類點的平面中誤差和高程中誤差[4]，進行質量檢查。

本次在測區內均勻布設了5個檢核點，掃描時在檢核點上安置標靶。采用全站儀測得5個檢核點的三維坐標和掃描儀轉換后坐標數據進行比較來檢查地形圖的可靠性，見表1。

通過表1可以看出，兩者獲取的檢核點平面坐標差值的絕對值最小為4mm，最大值為17mm；高程差值的絕對值最小值為4mm，最大值為28mm。采用表1中的數據，計算得到檢核點的平面中誤差和高程中誤差為：M--x=±15mm，My=±14mm，Mh=±20mm。

對采用三維激光掃描儀得到的點云數據與利用全站儀測得的三維坐標，其檢核點的平面坐標中誤差<5cm，高程中誤差<3cm，對于大比例尺地形圖，在地形圖上的誤差小于1mm，能夠達到繪制地形圖的精度要求。由此可以看出，三維激光掃描儀的精度能夠滿足地形圖測量的要求。

2 結論

將三維激光掃描儀用于地形測量是完全可行的，在地形測量一體化中，采用三維激光掃描技術完全能夠滿足一般地形圖測量的需要，與其他地形圖測量方法相比較，其能夠實現真正的一體化，利用三維激光掃描儀與計算機相結合得出的地形圖，大大提高了效率，節省大量人力物力，尤其是在地形險峻、人難以到達的地方有著極大的優勢。

參考文獻

[1]彭維吉，李孝雁，黃颯.基于地面三維激光掃描技術的快速地形圖測繪[J].測繪通報，2013（3）：70-72.

[2]呂寶雄，巨天力.三維激光掃描技術在水電大比例尺地形測量中的應用研究[J].西北水電，2011（1）：14-16.

[3]劉昌軍，趙雨，葉長鋒，等.基于三維激光掃描技術的礦山地形快速測量的關鍵技術研究[J].測繪通報，2012（6）：43-46.