三維激光掃描測(cè)量在地形圖測(cè)量方面的應(yīng)用

宋朝

摘 要：在地質(zhì)條件較差人員難以到達(dá)的區(qū)域，傳統(tǒng)的地形圖測(cè)圖方法顯得無(wú)能為力，三維激光掃描技術(shù)數(shù)字化、精確、快速、不接觸的特點(diǎn)正好可以解決這類問題。該文詳細(xì)闡述了利用三維激光測(cè)量技術(shù)在進(jìn)行山區(qū)復(fù)雜地形測(cè)量過(guò)程中的流程與方法。三維激光掃描技術(shù)在某些極端的測(cè)區(qū)環(huán)境中彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地形測(cè)量的局限性，為數(shù)字化測(cè)圖提供了一種新的技術(shù)手段和方法。結(jié)果表明利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的地形圖基本符合地形圖測(cè)繪的精度要求與此同時(shí)利用該技術(shù)極大地提高了生產(chǎn)作業(yè)效率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 精細(xì)地形圖 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0097-02

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期激光應(yīng)用研究中的一項(xiàng)重大突破，被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”，又被譽(yù)為“三維實(shí)景復(fù)制技術(shù)”[1]。傳統(tǒng)的地形圖測(cè)量采用全站儀數(shù)字化測(cè)圖、GPS-RTK測(cè)圖、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等方法。但是這些方法外業(yè)工作量大，且在地形險(xiǎn)峻、作業(yè)人員難以到達(dá)的地方往往顯得無(wú)能為力[2]。三維激光掃描儀具有精度高、速度快、全數(shù)字特征、主動(dòng)性強(qiáng)等特性[3]。基于這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)三維激光掃描儀在非常規(guī)地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用案例越來(lái)越多，尤其是在工程地質(zhì)條件較差、人員無(wú)法到達(dá)、比較危險(xiǎn)的地方，采用三維激光掃描儀對(duì)于局部地區(qū)的精細(xì)地形圖測(cè)繪，具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于地形圖測(cè)量改變了傳統(tǒng)地形圖測(cè)繪的作業(yè)流程，使外業(yè)測(cè)繪流程更加簡(jiǎn)單、工作時(shí)間更少、勞動(dòng)強(qiáng)度明顯下降、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度顯著提高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地形測(cè)量技術(shù)的不足[4]。目前三維激光掃描儀在進(jìn)行地形圖測(cè)量時(shí)并沒有規(guī)范的作業(yè)流程和統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，主要是使用三維激光掃描儀儀器廠商提供的軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作。不同品牌的儀器所開發(fā)的軟件也有所不同，但是在功能上都大同小異。三維激光掃描技術(shù)為數(shù)字化測(cè)圖提供了一種新的技術(shù)手段和方法。

1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)量地形圖的工作流程

與傳統(tǒng)的全站儀數(shù)字化測(cè)圖、GPS-RTK測(cè)圖、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量地形圖等技術(shù)手段相比，三維激光掃描技術(shù)繪制地形圖也分為內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩部分。一是掃描儀的外業(yè)掃描，二是掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。不論是外業(yè)掃描還是內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理都有很多的技術(shù)細(xì)節(jié)。具體的技術(shù)工作流程如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行地形圖測(cè)量之前，測(cè)區(qū)應(yīng)進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，利用GPS測(cè)量圖根控制點(diǎn)的坐標(biāo)，然后利用三維激光掃描儀對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的三維場(chǎng)景進(jìn)行掃描。掃描之前，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地物的形狀、測(cè)區(qū)的周圍環(huán)境、三維激光掃描儀的有效測(cè)程等方面合理布設(shè)掃描儀的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)地形圖的精度要求設(shè)置合適的分辨率進(jìn)行掃描[5]。布設(shè)站點(diǎn)的原則為以下幾方面。

（1）盡可能的使每一個(gè)測(cè)站可以掃描到代表整個(gè)測(cè)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）站點(diǎn)之間要有一定的重合比例方便后續(xù)的點(diǎn)云拼接工作。

（3）架設(shè)儀器時(shí)要避開障礙物的遮擋。

（4）在掃描過(guò)程中掃描儀不能中斷以免影響采集數(shù)據(jù)的結(jié)果。

三維激光掃描儀測(cè)圖的實(shí)質(zhì)就是利用激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取地物目標(biāo)特征信息，利用繪圖軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)地形圖的過(guò)程。

1.2 數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描儀最終獲取的是空間實(shí)體的幾何位置信息。將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到儀器自帶的軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。首先進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，包括如下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)融合。其中數(shù)據(jù)去噪應(yīng)用過(guò)濾算法剔除原始點(diǎn)云中的錯(cuò)誤點(diǎn)和含有粗差的點(diǎn)[3]；數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼接成完整的三維場(chǎng)景，然后將數(shù)據(jù)完整的導(dǎo)入指定的地理坐標(biāo)系；數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)是根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況和測(cè)圖的精度要求，設(shè)置合適的采樣密度抽稀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而更加方便大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)和應(yīng)用等[5]；數(shù)據(jù)融合主要是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分類獲取場(chǎng)景比較準(zhǔn)確的三維模型。單純的點(diǎn)云模型對(duì)于識(shí)別地物的細(xì)節(jié)信息不夠準(zhǔn)確。繼而采用專業(yè)的軟件如Texcapture、Geomatic等將場(chǎng)景的點(diǎn)云模型和現(xiàn)場(chǎng)采集的照片精確的拼接在一起，使點(diǎn)云模型獲得更為完整、準(zhǔn)確、真實(shí)的紋理信息，尤其是在場(chǎng)景邊緣和角落的空間信息。通過(guò)以上一系列的數(shù)據(jù)處理流程，再使用專業(yè)軟件的特定功能進(jìn)行植被或建筑物剔除，最后生成TIN模型數(shù)據(jù)。對(duì)TIN模型數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑或優(yōu)化處理同時(shí)根據(jù)指定的等高線間隔自動(dòng)生成等高線[6]。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的等高線導(dǎo)入AutoCAD軟件進(jìn)行地物輪廓信息的提取并保存為.DWG格式的文件。將繪制好的草圖文件導(dǎo)入CASS軟件，根據(jù)草圖繪制標(biāo)準(zhǔn)地物符號(hào)。對(duì)繪制好的地圖添加標(biāo)準(zhǔn)圖幅、圖名、比例尺、起始點(diǎn)坐標(biāo)、制圖單位、測(cè)量人、制圖人、檢查人等附屬信息完成地形圖的整飾工作。最終繪成的標(biāo)準(zhǔn)地形圖樣例文件如圖2所示。

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于采用掃描儀獲取的是現(xiàn)實(shí)世界的三維全景信息，不存在繪制草圖的過(guò)程。當(dāng)進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)如果現(xiàn)場(chǎng)工作人員疏忽漏測(cè)或者操作不規(guī)范造成采集的數(shù)據(jù)不完整，不必返回到測(cè)區(qū)重新測(cè)量，直接利用點(diǎn)云的三維模型可以找到缺失的數(shù)據(jù)。在一定程度上減少了工作人員的工作量，同時(shí)對(duì)于采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性也是一種保證，對(duì)于提高工作效率，節(jié)省人力物力都有很好的保證作用。

2 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)客觀世界對(duì)象的紛繁復(fù)雜，相比傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)采集效率低，難以準(zhǔn)確地表達(dá)客觀對(duì)象的真實(shí)情況，進(jìn)而使得三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取在空間信息科學(xué)領(lǐng)域顯得尤為重要。綜觀國(guó)內(nèi)利用三維激光掃描儀進(jìn)行地形圖測(cè)繪的一些實(shí)際案例表明：三維激光掃描技術(shù)基于自身特點(diǎn)，特別適合工期緊、地質(zhì)條件較差、測(cè)繪人員無(wú)法到達(dá)的、比較危險(xiǎn)的地方，以及地面植被較少、視野寬廣等地形。采用三維激光掃描儀可以完成傳統(tǒng)測(cè)繪無(wú)法完成的任務(wù)，提供了一種全新的技術(shù)手段和解決方案。目前利用三維激光掃描儀在進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)仍然處于探索階段，還沒有規(guī)范的作業(yè)流程和一套完整成熟的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形圖測(cè)繪軟件，在成圖的過(guò)程中需要交互使用各種不同的軟件，這就對(duì)成圖的精度造成一定的影響。如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中地形特征點(diǎn)的自動(dòng)或半自動(dòng)化精確提取是今后研究的重要內(nèi)容。當(dāng)?shù)匦胃叩推鸱趽跚闆r比較嚴(yán)重時(shí)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏洞，造成局部數(shù)據(jù)缺失，所以數(shù)據(jù)的不完整也是需要解決難點(diǎn)。未來(lái)通過(guò)三維激光掃描儀來(lái)建立虛擬的三維空間，從虛擬的空間中獲取我們需要的地理信息以及地物和地貌的特征信息將是未來(lái)地形測(cè)量的主要發(fā)展方向。

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