三維激光掃描測量在地形圖測量方面的應用

宋朝

摘 要：在地質條件較差人員難以到達的區域，傳統的地形圖測圖方法顯得無能為力，三維激光掃描技術數字化、精確、快速、不接觸的特點正好可以解決這類問題。該文詳細闡述了利用三維激光測量技術在進行山區復雜地形測量過程中的流程與方法。三維激光掃描技術在某些極端的測區環境中彌補了傳統地形測量的局限性，為數字化測圖提供了一種新的技術手段和方法。結果表明利用三維激光掃描技術測量的地形圖基本符合地形圖測繪的精度要求與此同時利用該技術極大地提高了生產作業效率，產生了良好的經濟效益。

關鍵詞：三維激光掃描 精細地形圖 點云數據

中圖分類號：P217 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0097-02

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期激光應用研究中的一項重大突破，被譽為“繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命”，又被譽為“三維實景復制技術”[1]。傳統的地形圖測量采用全站儀數字化測圖、GPS-RTK測圖、數字攝影測量等方法。但是這些方法外業工作量大，且在地形險峻、作業人員難以到達的地方往往顯得無能為力[2]。三維激光掃描儀具有精度高、速度快、全數字特征、主動性強等特性[3]。基于這些技術優勢三維激光掃描儀在非常規地形圖測繪中的應用案例越來越多，尤其是在工程地質條件較差、人員無法到達、比較危險的地方，采用三維激光掃描儀對于局部地區的精細地形圖測繪，具有其獨特的技術優勢。三維激光掃描技術運用于地形圖測量改變了傳統地形圖測繪的作業流程，使外業測繪流程更加簡單、工作時間更少、勞動強度明顯下降、內業數據處理自動化程度顯著提高，彌補了傳統地形測量技術的不足[4]。目前三維激光掃描儀在進行地形圖測量時并沒有規范的作業流程和統一的生產標準，主要是使用三維激光掃描儀儀器廠商提供的軟件進行相應的數據處理工作。不同品牌的儀器所開發的軟件也有所不同，但是在功能上都大同小異。三維激光掃描技術為數字化測圖提供了一種新的技術手段和方法。

1 三維激光掃描技術測量地形圖的工作流程

與傳統的全站儀數字化測圖、GPS-RTK測圖、數字攝影測量地形圖等技術手段相比，三維激光掃描技術繪制地形圖也分為內業和外業兩部分。一是掃描儀的外業掃描，二是掃描數據的內業處理。不論是外業掃描還是內業的數據處理都有很多的技術細節。具體的技術工作流程如圖1所示。

1.1 數據采集

在進行地形圖測量之前，測區應進行控制點的布設，利用GPS測量圖根控制點的坐標，然后利用三維激光掃描儀對測區內的三維場景進行掃描。掃描之前，首先根據現場地物的形狀、測區的周圍環境、三維激光掃描儀的有效測程等方面合理布設掃描儀的站點，每個站點根據地形圖的精度要求設置合適的分辨率進行掃描[5]。布設站點的原則為以下幾方面。

（1）盡可能的使每一個測站可以掃描到代表整個測區的點云數據。

（2）站點之間要有一定的重合比例方便后續的點云拼接工作。

（3）架設儀器時要避開障礙物的遮擋。

（4）在掃描過程中掃描儀不能中斷以免影響采集數據的結果。

三維激光掃描儀測圖的實質就是利用激光掃描的點云數據，提取地物目標特征信息，利用繪圖軟件繪制標準地形圖的過程。

1.2 數據處理

三維激光掃描儀最終獲取的是空間實體的幾何位置信息。將采集的數據導入到儀器自帶的軟件中進行數據處理工作。首先進行點云數據的預處理工作，包括如下幾個方面：數據去噪、數據配準、數據精簡、數據融合。其中數據去噪應用過濾算法剔除原始點云中的錯誤點和含有粗差的點[3]；數據配準是將多站點的數據拼接成完整的三維場景，然后將數據完整的導入指定的地理坐標系；數據精簡是根據測區的實際情況和測圖的精度要求，設置合適的采樣密度抽稀點云數據，從而更加方便大規模點云數據的管理、存儲和應用等[5]；數據融合主要是對點云數據進行識別分類獲取場景比較準確的三維模型。單純的點云模型對于識別地物的細節信息不夠準確。繼而采用專業的軟件如Texcapture、Geomatic等將場景的點云模型和現場采集的照片精確的拼接在一起，使點云模型獲得更為完整、準確、真實的紋理信息，尤其是在場景邊緣和角落的空間信息。通過以上一系列的數據處理流程，再使用專業軟件的特定功能進行植被或建筑物剔除，最后生成TIN模型數據。對TIN模型數據進行平滑或優化處理同時根據指定的等高線間隔自動生成等高線[6]。將點云數據生成的等高線導入AutoCAD軟件進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入CASS軟件，根據草圖繪制標準地物符號。對繪制好的地圖添加標準圖幅、圖名、比例尺、起始點坐標、制圖單位、測量人、制圖人、檢查人等附屬信息完成地形圖的整飾工作。最終繪成的標準地形圖樣例文件如圖2所示。

運用三維激光掃描技術進行地形圖測繪有其獨特的優勢。由于采用掃描儀獲取的是現實世界的三維全景信息，不存在繪制草圖的過程。當進行地形圖測繪時如果現場工作人員疏忽漏測或者操作不規范造成采集的數據不完整，不必返回到測區重新測量，直接利用點云的三維模型可以找到缺失的數據。在一定程度上減少了工作人員的工作量，同時對于采集數據的準確性和完整性也是一種保證，對于提高工作效率，節省人力物力都有很好的保證作用。

2 結語

面對客觀世界對象的紛繁復雜，相比傳統三維數據采集效率低，難以準確地表達客觀對象的真實情況，進而使得三維數據實時獲取在空間信息科學領域顯得尤為重要。綜觀國內利用三維激光掃描儀進行地形圖測繪的一些實際案例表明：三維激光掃描技術基于自身特點，特別適合工期緊、地質條件較差、測繪人員無法到達的、比較危險的地方，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測繪無法完成的任務，提供了一種全新的技術手段和解決方案。目前利用三維激光掃描儀在進行地形圖測繪時仍然處于探索階段，還沒有規范的作業流程和一套完整成熟的基于點云數據的地形圖測繪軟件，在成圖的過程中需要交互使用各種不同的軟件，這就對成圖的精度造成一定的影響。如何實現點云數據中地形特征點的自動或半自動化精確提取是今后研究的重要內容。當地形高低起伏遮擋情況比較嚴重時，容易出現數據漏洞，造成局部數據缺失，所以數據的不完整也是需要解決難點。未來通過三維激光掃描儀來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地形測量的主要發展方向。

參考文獻

[1] 劉青鋒，劉賀，王東.3維激光掃描技術在地形測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2013（5）：153-155.

[2] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪[J].測繪通報，2010（1）：53-56.

[3] 胡奎，王麗英.三維激光掃描技術在精細地形圖繪制中的應用[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2013（7）：953-956.

[4] 曹璽，梁俊，王延洪，等.三維激光掃描技術在地形測繪成圖中的應用[J].人民長江，2011（21）：22-24.

[5] 鄧愛民.車載激光掃描點云數據流處理抽稀方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.

[6] 孫德鴻，王占超.三維激光掃描技術在地形地質測量中的應用[J].水利水電施工，2011（1）：76-80.

[7] 高紹偉，薄志毅，王曉龍.利用三維激光點云數據繪制地形圖[J].測繪通報，2014（3）：67-70，74.