基于三維激光掃描的大比例尺地形測繪方法研究

周勉

[摘要]三維激光掃描儀可以通過與數碼相機的高度結合獲取高精度的三維矢量數據，從采集的地面數據與真實的光學影相數據匹配后，編輯后期地形圖。利用這種方式，提高了數據編輯的可靠性，縮短了成圖周期。

[關鍵詞]激光掃描；地形測繪；大比例尺 文章編號：2095-4085（2017）02-0041-02

利用三維激光掃描大比例尺地形測繪，有著廣泛的應用前景。但是在獲取的海量點云數據在計算機處理過程中遇到瓶頸，必須抽稀數據后，才能順利進行編輯工作。如何快速、高效地處理海量點云數據是未來研究的一個課題。

1關于三維激光掃描在地形測繪的研究

根據我國有關部門發布的標準，我國TLS地形測繪技術有一定的規范制度，但是在目前的情況下，仍然有許多需要解決的問題：（1）由于激光掃描儀器的內部結構較為復雜，出現問題時不易檢驗，因此在維修管理方面的應用技術較不完善，儀器誤差不易檢驗，應用技術與驗收標準尚不完善；（2）由于在后期的數據處理中較為依賴人為的篩選，所以其內頁數據的處理效率和精度方面都較低；（3）第三方專業繪圖軟件的應用在地形繪圖過程的應用必不可少，但是目前，以點云數據為基礎的通用繪圖工具的缺乏是制約地形繪圖工作進步的主要原因，同時地形繪圖對軟硬件的配置標準普遍較高；（4）通過對國外市場調查分析發現，地面三維激光掃描設備引進成本較高，同時受到我國實用商品體系構建不足的影響，TLS地形測繪技術發展受到了嚴重的阻礙；（5）在儀器設置參數影響下，這些參數主要包括測距、置平精度以及分辨率等，在相對復雜環境中容易出現誤差累積問題，嚴重情況下還可能出現部分數據丟失的現象，對系統絕對精度造成影響。

綜上可知，傳統測繪技術應用效果并不理想，而T15地形測繪技術應用優點主要體現在以下幾個方面：（1）儀器校正和技術應用更趨規范化、標準化和系統化，例如針對TLC系統的驗校、結果精確度等的評價方法和算法更加準確和簡單，但是具體內容需要以具體環境測繪標準檢驗為參考；（2）分站點云數據自動匹配方法在實踐應用過程中效率更高、結果也更加準確，同時點云數據精簡算法，可行性更強。另外通過與高分辨率圖像重建技術的結合應用可以為幾何地形數據同影響數據、GIS數據等的一體化結合提供基礎，為目標識別和非地形數據剔除自動化目標的實現創造基礎條件；（3）點云數據應用處理軟件性能更高。以點云數據分析為基礎的大比例尺測繪系統在實踐中的應用可以完成二次開發，為繪圖、建模一體化目標的實現提供了基礎條件；（4）根據國情，研發出具有自主知識產權的儀器。高度集成測量技術，實現用戶坐標與大地坐標自動轉換，實現水上水下掃描一體化，擴大TLS地形測繪技術的應用領域。

2三維激光掃描大比例尺地形測繪方法應用實例

2.1工程簡介

為了檢測TLS地形測繪技術的實用性能，我們進行試驗，驗證三維激光掃描儀在特殊困難地貌區域的成圖精度。本文選址位于地勢較為復雜的草原石城景區。此地地貌復雜，交通不便，也不利于航空攝影。測試的地區大部分為山地，并大面積裸露不規則巖石。測量的最低高程約1780 m；最高高程約1920 m；平均高程約1905 m；成圖比例尺為1：1000；面積8 km²。測量地區的地勢起伏較大，亂石遍布，而且南北部遍地山包，遮擋較為嚴重，因此以常用方式測試較為復雜，難度較大。

2.2儀器設備選用及性能

本次測量用到的是奧地利生產的儀器，型號為Rieg1VZ-1000?？紤]到測量的精度問題，將掃描精度設置為100m處14 cm，掃描距離600m，以更為準確的反映測試地區的地貌形態。在實踐測繪工作中可以通過任何一種設戰法完成地面掃描工作，具體操作：將三個臨時感光片設置在站點，在設置過程中必須保證激光掃描儀照射范圍內設置了發射片，而感光片坐標的確定具體可以通過GPSRTK技術測定所得。另外相鄰兩個站點之間的重疊度應當在30%左右，這樣做的目的是保證數據檢核和后期數據拼接工作的順利完成。結合反光片坐標值還完成坐標轉換計算。例如若實驗區段地面掃描站數目為230站，需要完成地形測繪圖32幅，所需要時間在50 h左右，計算所得數據采集速度約為300000點/s。

2.3數據處理

通常情況下，三維激光掃描儀完成測量工作后，其數據量是相當大的，最大可達到82 GB。由于本實驗區域范圍內不存在特征公共地物，因此基于公共特征點的方法是無法完成測站數據拼接工作的，因此必須對數據處理準確性給予高度重視，通過感光片成像點完成數據拼接，通過感光片對左邊站點進行測量，依據數學計算方法完成同名點的參數變換，從而順利完成拼接。站點數據傳輸到儀器上并向實地坐標轉換。這一系列數據的拼接和坐標轉換過程必須保證及時將噪聲和植被剔除等，為后續制圖工作的順利進行奠定基礎。一般情況下，針對噪聲點的剔除工作可以利用多視角完成，而針對植被的剔除則可以利用在線波形處理技術等來進行。其中植被剔除基本原理如下：不同目標地物對不同波長激光掃描束的反應存在差異，而這種差異主要表現在地物回波發生強度方面，根據這些差異可以順利識別出地物的種類和具體材質，并以此為基礎完成地物種類的顏色分類。另外為了最大限度保證植被剔除效果理想，在剔除工作完成后可以通過點云數據的應用來形成數據圖。

2.4成圖精度驗證

本次實驗中為了保證三維激光掃描儀成圖的精確度，通過全站儀的利用在全野外1000 m²范圍內采集了地形圖數據。其中針對高程點和第五點選擇比較頻繁的位置進行了對比分析，其一方面實現了對三維激光掃描儀數據的準確性；另一方面為復雜環境下測量工作的進行也提供了新思路。

3結語

綜上所述，地面三維激光掃描儀的應用還不夠好，應用范圍有限，導致這一情況發生的主要因素包括兩個方面：一，三維激光掃描技術與傳統測繪技術結合問題；二，三維激光掃描設備成本高，普及率差，但是其應用優勢確是不容忽視的。