三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

朱曙光,余平洋（.河南理工大學(xué),河南　焦作　454000；.開封大學(xué),河南　開封　475004）

三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

朱曙光1,余平洋2
（1.河南理工大學(xué),河南焦作454000；2.開封大學(xué),河南開封475004）

摘要：三維激光掃描作為一種新興的測(cè)量技術(shù)，具有無需接觸被測(cè)量物體、測(cè)量精度高、速度快等傳統(tǒng)測(cè)量手段所不具備的顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，本文主要介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理方法并結(jié)合工程實(shí)例探討了利用三維激光掃描技術(shù)快速生成大比例尺地形圖的方法與作業(yè)流程。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；地形圖測(cè)繪；數(shù)據(jù)處理

1　引言

目前地形圖測(cè)繪主要是采用全站儀、GPS等大地測(cè)量儀器，這些測(cè)量手段技術(shù)相對(duì)成熟，實(shí)用性強(qiáng)，但存在野外工作量大，效率低，受地形條件影響，特別對(duì)于地形復(fù)雜、人員難以到達(dá)的區(qū)域獲取數(shù)據(jù)具有一定的難度。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，已開始應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量方式的局限性，無需接觸被測(cè)量物體，測(cè)量精度高、速度快，通過向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光束的方式，快速高分辨率的獲取空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和建模，可以生成被測(cè)區(qū)域的三維虛擬模型和數(shù)字地形圖，不僅提高了獲取數(shù)據(jù)的信息量和精度，同時(shí)，也大大縮短了外業(yè)工作時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和智能化程度。本文以LeicaScanStation2三維激光掃描為例介紹其在某區(qū)域大比例地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用。

2　三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，其中掃描系統(tǒng)主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)；控制系統(tǒng)主要是控制整個(gè)掃描儀的正常工作，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集中對(duì)測(cè)站及后視定向信息的輸入，各項(xiàng)掃描參數(shù)的設(shè)置及掃描區(qū)域的劃分等；電源供應(yīng)系統(tǒng)則主要給掃描系統(tǒng)提供電力保障。

2.2三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式掃描測(cè)量技術(shù)，能夠快速獲取直接反映測(cè)量目標(biāo)實(shí)時(shí)、真實(shí)的形態(tài)特性的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其工作原理是：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，從而可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀器中心的距離S，同時(shí)控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測(cè)值α和β，如圖1所示。依據(jù)公式1可得出目標(biāo)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)。

以上求得的P點(diǎn)坐標(biāo)為儀器自定義坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為掃描儀測(cè)距激光發(fā)射器的幾何中心，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸一般為儀器的豎軸，與橫向掃描面垂直。在實(shí)際工作中，需要將測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系中，為了操作方便，可在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)輸入架站點(diǎn)和后視點(diǎn)的坐標(biāo)，由儀器自動(dòng)完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

3　點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集區(qū)域位于某礦區(qū)，地形起伏較大，地物較少，這里主要采用LeicaScanStation2三維激光掃描儀對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行掃描測(cè)量，并利用華測(cè)X91GNSS雙頻接收機(jī)測(cè)定了測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，其作業(yè)流程如下：

3.1.1準(zhǔn)備工作

白麗筠有一套她自己的住房，就在我第一次找到搬水泥紅磚活兒的那片新住宅區(qū)里，她還有自己的馬6轎車，若不是傍上大款，憑她那個(gè)寒酸的工薪家庭是無論如何置不起的。我想起小時(shí)候記憶中的白三刀，問候她的父親身體可好？白麗筠傷心地告訴我說，父親前幾年去世了，她剛剛有能力盡一點(diǎn)兒孝心的時(shí)候，父親卻不給她機(jī)會(huì)，撒手西去了。只有母親猶在，也老得走不動(dòng)路了。

首先通過實(shí)地查勘確定測(cè)站點(diǎn)及掃描順序，然后利用GNSS測(cè)量測(cè)定出測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。

3.1.2設(shè)站

在控制點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀并進(jìn)行對(duì)中整平，打開電源開關(guān)讓儀器自檢。

3.1.3網(wǎng)絡(luò)設(shè)置與連接

自檢完畢后，將計(jì)算機(jī)與掃描儀用網(wǎng)線連接起來，打開Cyclone軟件，創(chuàng)監(jiān)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)庫和工程項(xiàng)目，執(zhí)行ScannerConnect進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

執(zhí)行g(shù)etimage命令，儀器會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行拍照，可通過設(shè)置進(jìn)行局部或整體拍照，并且該照片可對(duì)建立的三維模型進(jìn)行紋理貼圖。

3.1.5掃描設(shè)置

設(shè)置掃描主距、掃描精度、掃描范圍和標(biāo)靶類型以及后視定向。

3.1.6獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

通過執(zhí)行SCAN命令，就可獲得所選區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要是利用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪、匹配拼接等一系列的處理，最終得到所需要的點(diǎn)云數(shù)學(xué)模型和地形圖。

3.2.1平滑去噪

數(shù)據(jù)采集中受測(cè)量設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗(yàn)、被測(cè)物體表面質(zhì)量、環(huán)境等因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲點(diǎn)，因此在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作前應(yīng)先進(jìn)行平滑去噪處理。

3.2.2匹配拼接

由于受地形和視角的影響，為獲取完整的、全方位的三維地面信息，必須進(jìn)行多測(cè)站、多視點(diǎn)的掃描測(cè)量，而每次架站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是基于架站儀器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配拼接就是基于多個(gè)測(cè)站點(diǎn)掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合統(tǒng)一到測(cè)量坐標(biāo)系下的過程，主要方法有：基于點(diǎn)云的拼接、基于標(biāo)靶的拼接和基于控制點(diǎn)的拼接。由于本次實(shí)驗(yàn)儀器都架設(shè)在控制點(diǎn)上，并進(jìn)行了定向，所測(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是基于同一個(gè)坐標(biāo)系下，所以將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入cyclone軟件中，自動(dòng)添加約束條件即可完成匹配拼接，如圖2所示。

4　數(shù)據(jù)建模及地形圖繪制

在保證精度前提下，利用cyclone軟件對(duì)海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，提取建筑物、道路等地物點(diǎn)數(shù)據(jù)并編制成二維圖形，地形點(diǎn)數(shù)據(jù)通過植被過濾后按成圖比例尺選擇合適的點(diǎn)距過濾，然后生成三維數(shù)據(jù)模型（如圖3所示），在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行等高距設(shè)置并生成等高線（如圖4所示），最后將圖形直接導(dǎo)入到CASS軟件中進(jìn)行編輯處理并輸出即可，這里也可以直接將提取的地物和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)出，再轉(zhuǎn)化為DAT格式的CASS坐標(biāo)文件，利用CASS軟件進(jìn)行編輯成圖。

5　結(jié)束語

實(shí)踐證明，將三維激光掃描儀應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪中，其精度完全可以滿足測(cè)量要求，與常規(guī)測(cè)圖方法相比，三維激光掃描儀具有速度快、信息量大、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量儀器的局限性，能夠直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，特別是在人員難以到達(dá)的地區(qū)有著顯著的優(yōu)勢(shì)。由于激光掃描儀獲取的是海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可能會(huì)包含有大量的地表上的雜草和樹木等數(shù)據(jù)，如何在不影響精度和建模需要的前提下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速獲取取適當(dāng)密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步完善，解決了這一問題必將使三維激光掃描技術(shù)在地形圖測(cè)繪領(lǐng)域得到更廣闊的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]張靖,張愛能,劉國棟等.三維激光掃描儀技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014(03):199-203.

[2]崔劍凌.地面三維激光掃描在難及區(qū)域地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪,2014(02):85-87.

[3]張志強(qiáng).地面三維激光掃描儀在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2013.

[4]崔磊,張鳳錄.地面三維激光掃描系統(tǒng)內(nèi)外業(yè)一體化研究[J].北京測(cè)繪，2013(02):47-49.

[5]馬素文.三維激光掃描在測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西建筑,2011(09):207-08.

[6]李志鵬,張辛,喻守剛,任宏旭等.基于三維激光掃描的大比例尺地形測(cè)繪方法研究[J].人民長江,2014(04):70-73.

[7]曹璽,梁俊,王延洪等.三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪成圖中的應(yīng)用[J].人民長江,2011(21):22-24.

作者簡介：朱曙光（1980-），男，河南南陽人，講師、技師，主要從事:地形圖測(cè)繪及工程測(cè)量方向生產(chǎn)和教學(xué)工作。