基于三維激光掃描技術(shù)的地形測量一體化應用研究

徐子紅

摘 要：地形測量一體化是指利用測量儀器與技術(shù)針對某一地形進行外業(yè)測量，同時通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、地形圖生成及建模的整個一體化生產(chǎn)過程。全站儀測圖、GPS RTK測圖及攝影測量等是比較常見的地形測量技術(shù)，但是對于一些危險地區(qū)的地形側(cè)廊來說，傳統(tǒng)測量技術(shù)往往不能快速獲得數(shù)據(jù)，三維激光掃描技術(shù)的應用可以有效彌補傳統(tǒng)測量技術(shù)的缺點，不需要接觸被測地形即可快速獲取三維點云數(shù)據(jù)。下面就針對三維激光掃描技術(shù)在地形測量一體化中的應用進行分析。

關鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；地形測量一體化；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.096

隨著社會的快速發(fā)展，當前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在各個領域中得到了廣泛應用，并取得顯著的效果，與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)在實際應用中具有工作效率高、測量精確率高等特點，在地形地質(zhì)測量中應用不僅掃描速度快，同時測量精確度也得到了提高，當前很多科技人員均將這項技術(shù)作為實際工作中解決問題的主要手段，為工程測量及數(shù)據(jù)研究工作提供了保證。下面筆者嘗試結(jié)合自己的工作經(jīng)驗，對這項技術(shù)在地形測量中的一體化應用進行深入剖析。

1 三維激光掃描技術(shù)發(fā)展與應用現(xiàn)狀

1.1 掃描硬件技術(shù)

（1）掃描速度，從以前的每秒幾千點提升到了現(xiàn)在的每秒幾萬點，數(shù)據(jù)采集的時間大大縮短，工作效率提高的同時還保證了野外數(shù)據(jù)采集的安全性；（2）掃描結(jié)構(gòu)，從之前的分體式結(jié)構(gòu)改變?yōu)楝F(xiàn)在的一體集成結(jié)構(gòu)，這種掃描結(jié)構(gòu)由掃描電池內(nèi)置、高分辨率數(shù)碼相機及高分辨率觸摸屏等部分組成，不僅操作非常方便，而且便于攜帶；（3）視場角，從原來的幾十度發(fā)展到了全景掃描，不僅工作效率高、操作簡單，同時數(shù)據(jù)后續(xù)處理也更加簡便；（4）精確度，細微掃描點測量操作可以實現(xiàn)，同時儀器的應用范圍也得到了擴展，眾多領域的數(shù)據(jù)需求均可以得到滿足。

1.2 軟件進步技術(shù)

（1）處理量，隨著近年來算法程序的改進，當前的掃描軟件已經(jīng)可以儲存并處理十幾億點的數(shù)據(jù)，這種性能上的變化為人們處理數(shù)據(jù)的過程中提供了有效的幫助，精細化掃描得以實現(xiàn)；（2）功能齊全，當前掃描技術(shù)在多個行業(yè)中就能滿足實際需求，利用其可以實現(xiàn)準確地形測量、二維線條提取及建模等功能，當前建筑結(jié)構(gòu)測繪、工業(yè)設計及文物保護等方面研究中都需要用到掃描技術(shù)。在地形與地質(zhì)測量工作中，應用該技術(shù)不僅測量簡單、容易操作，同時得到的測量結(jié)果也非常精確、全面，可以對三維結(jié)果進行計算與分析，并且不會受到環(huán)境因素的影響。

2 地形測量一體化的三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

隨著全站儀、航空攝影測量儀及GPSRTK等技術(shù)的廣泛應用，地形測量作業(yè)開始朝著內(nèi)外業(yè)一體化方向發(fā)展。利用三維激光掃描地形獲取的數(shù)據(jù)懸浮于孔中，屬于沒有屬性的、離散的點陣數(shù)據(jù)，被人們形象的稱為“點云”。在地形測量一體化中，點云數(shù)據(jù)主要利用地面三維激光掃描儀與機載三維激光掃描儀測量獲取，前者可以獲取點云數(shù)據(jù)中大量數(shù)據(jù)，后者發(fā)射的激光脈沖可以部分穿透樹林等遮擋物，直接獲取真實地面三維地形的信息。

2.1 地面三維激光掃描儀的工作原理與數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描系統(tǒng)屬于一種三維坐標測量系統(tǒng)，它集成了很多高新技術(shù)，其核心為三維激光掃描儀，經(jīng)過多年的發(fā)展，不管從硬件上還是軟件上地面三維激光掃描儀均得到了很大程度的提高。該掃描儀使用測距范圍較大，與無棱鏡測量的全站儀相比，這種儀器可以使所有測量領域的要求得到滿足；全方位視角，可以方便用戶掃描頭頂方向、水平及水平面上下物體，在掃描過程中不會受到視角的限制，充分實現(xiàn)了360°視角的掃描，幾乎不存在盲區(qū)；測量電位精度高，掃描儀測量單個點精度可以達到毫米級，精掃功能對遠距離標靶的精度較高，充分保證了數(shù)據(jù)拼接精度。在地形測量一體化中，主要利用地面三維激光掃描儀獲得點云數(shù)據(jù)，測量前需要做好掃描儀架設位置、掃描順序等準備工作，然后連接網(wǎng)絡設置、拍照等，最后獲取點云數(shù)據(jù)。

2.2 機載三維激光掃描儀的工作原理與數(shù)據(jù)采集

利用機載三維激光掃描儀可以獲得真實的影響數(shù)字模型與高程模型，是當前航測技術(shù)的尖端，其最大的特點在于不會受到天氣條件、日照條件的限制，可以實現(xiàn)全天候觀測，為數(shù)字制圖、GIS應用提供地面模型數(shù)據(jù)。機載系統(tǒng)包括激光掃描、姿態(tài)測量、實時定位及計算機等諸多技術(shù)，利用激光測量技術(shù)可以快速獲取精確的三維坐標，利用高速計算機計算得到地物垂直結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而增強對目標的識別能力。利用機載系統(tǒng)放射器發(fā)射的激光脈沖可以部分穿透樹林的遮擋，得到真實地面的三維地形信息，在測量地形之前需要組好相應的準備工作，航行測量過程中應注意可能會發(fā)生的變故。首先制定飛行計劃，然后設定GPS基站，再進行三維激光掃描測量與慣性測量，最后利用數(shù)碼相機進行拍攝，進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 三維激光掃描技術(shù)的地形測量一體化應用

某測區(qū)為一滑坡，屬于高中山地形，掃描區(qū)域存在較大的地形起伏，該地區(qū)的植被較少，數(shù)據(jù)采集不會受到很大干擾，大大提升了數(shù)據(jù)的真實性及可靠性。鑒于該項目的地形特點，決定利用三維激光掃描儀進行測量，測距精度是±（2mm+2PPm）。

3.1 控制網(wǎng)布設

為了在同一坐標系中針對云數(shù)據(jù)進行匹配連接，于測區(qū)中埋設了定向控制點K1～K6，這些控制點均勻的布設在了測區(qū)之中，于視野開闊區(qū)域中定位掃描站點，在確保精度的前提下從最大范圍上掃描目標。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

按照測區(qū)的特殊地形情況，利用分站式掃描方式對測區(qū)進行大面積掃描，以測站為中心按照一定半徑進行掃描。將三維激光掃描儀設置在K1點上，選擇3個不在同一直線上的點，安放標靶，注意將其中一個標靶安置于K2點上，啟動Cyclone軟件，建立數(shù)據(jù)庫，應用相關工程文件對掃描區(qū)域進行拍照，在設置好參數(shù)以后對目標區(qū)域進行掃描，并依次將掃描儀架設于K2、K5、K4、K2各點上，利用同樣的方法對不同點進行掃描，一直到所有掃描工作完成為止。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

待云數(shù)據(jù)采集完成后，利用Geomagic Studio 12軟件與Cyclone軟件處理采集到的數(shù)據(jù)，拼接不同測站點云，進行噪聲處理、點云濾波平滑處理、壓縮抽稀、修補空洞，最終數(shù)據(jù)輸出。

3.4 繪制地形圖

利用國家坐標系統(tǒng)可以繪制出地形圖，但是經(jīng)過預處理得到的點云數(shù)據(jù)針對掃描儀坐標系統(tǒng)來說的，二者存在一定差異，所以需要完成從三維掃描儀到國家坐標系的轉(zhuǎn)換，這就需要將四參數(shù)模型轉(zhuǎn)換到平面坐標，而高程轉(zhuǎn)換通常需要利用平面擬合法。完成上述轉(zhuǎn)換工作之后，可以從點云數(shù)據(jù)中將交通設施、居民地、河流等地物點坐標提取出來，然后編輯制圖，其他高程點過濾之后，按照成圖比例尺選擇點間距，并對點云數(shù)據(jù)進行稀釋，在CASS中導入點云數(shù)據(jù)并建立DTM模型，生成等高線，疊加編輯后完成地形圖。

2.5 成圖質(zhì)量檢查

利用三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)繪制地形圖，需要對該地形圖進行質(zhì)量檢查。具體來說，需要對比這些坐標與利用全站儀獲得的三維坐標，并進行相應計算，最后得到平面誤差與高程誤差。該工程共在測區(qū)中設置了5個檢核點，掃描過程中需要將標靶安置在檢核點上，利用全站儀可以得到5個檢核點的三維坐標，對比其余掃描儀轉(zhuǎn)換得到的坐標數(shù)據(jù)，以此檢查地形圖是否可靠。對比利用全站儀獲得的三維坐標與利用三維激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)，檢核點平面坐標誤差在5cm以內(nèi)，高程中誤差在3cm以內(nèi)，可以達到繪制地形圖的精度要求，可見，利用三維激光掃描技術(shù)可以滿足地形圖測量的精度要求。

4 結(jié)語

綜上，在地形測量中應用三維激光掃描儀是可行的，在地形測量一體化領域中應用三維激光掃描技術(shù)完全可以使地形圖測量需求得到滿足，并且與其他地形圖測量技術(shù)相比可以真正實現(xiàn)一體化目標，利用該項技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合可以得到精度較高的地形圖，工作效率大大提高，節(jié)省了大量的人力、物力，特別是在一些地形險峻、人難以達到的測區(qū)其優(yōu)勢可以得到充分發(fā)揮。

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