三維激光掃描技術在地形測量中的應用

楊海峰++黃承孝

摘 要：三維激光掃描技術可以很好地進行地形地質測量，其不僅在測量上具有高度精準的優勢，并且掃描效率高，操作較為靈活，這些都是普通的測量方法無法做到的。在我們生活中已經有很多方面運用到此技術，在很大程度上為我國從事科技事業的人員解決了難題，并且為我國的工程事業的發展做出了進一步的推進。該文首先概述了關于三維激光掃描技術的一些原理，然后對三維激光掃描技術應用地形測量進行了分析，以此得出一些結論并歸納，為相關人員提供一些建議性的幫助。

關鍵詞：三維激光掃描 地形測量 應用

中圖分類號：P217 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0012-02

三維激光掃描技術的突破實在GPS空間定位技術基礎上實現的，主要是對測繪數據的獲取、處理、服務方面進行了一次新的技術提升。當前三維激光掃描技術發展十分迅猛，如今已普遍應用于大面積范圍，并且效益顯著。該文通過簡單概述三維激光掃描技術的原理，對其在地形測量中的應用進行技術性分析。

1 三維激光掃描技術概述

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術的主要組成有GPS差分定位系統（DGPS）、高精度動態載體姿態測量系統（INS）以及激光測距系統。在利用光源的基礎上對測量對象進行探測獲取目標的三維坐標、地表信息并且構建三維場景。

較為代表的激光測距傳感器的組成主要有測距單元、控制和處理單元以及光學機械掃描裝置。比較常用的激光測距方式有兩種，即脈沖式和相位式。脈沖式激光測距是根據激光發射裝置生成激光并將其發射至即光脈沖接觸實物，產生反射再被激光接收機接收。以此測得地表和激光發射器之間的距離，公式如（1）所示。相位式測距則是利用傳感器發射以及接收波之間的相位差來計算得出傳感器與目標之間的距離。除此之外，還可以通過系統內的GPS能夠和測量區內的GPS基站進行差分，以獲得傳感器具體空間位置；INS主要負責記錄傳感器的狀態。

R=1/2Ct （1）

1.2 點云數據的特點與處理

一套全面的LiDAR系統含有高分辨率數碼照相機所采集到的影像數據，INS數據，GPS數據，點云數據，而此次該文主要集中在三維點云數據上進行研究。LiDAR數據與普通的遙感數據是有區別的，它主要是獲取離散的三維點云數據，而這種離散數據在同一平面內可接觸到幾個高程值，可以很好地得知一些細節信息以及有巨大變動的目標，如電線桿、峭壁等，但與此同時也相對增加了種種地形信息獲取的難度。激光雷達數據第一次回波都是入射至物體像草坪、房屋等，最后一次是地面點反射形成的，可以說它的組成是多次回波的數據集中，整個流程比較繁雜，極其不方面進行數據處理。而點云數據不僅可以獲取目標的三維坐標，還可以得知地表物對激光具有的作用，這在很大程度上為后續處理濾波、分類奠定了寶貴的基礎，。但也有一個弊端，點云數據量比較大，在存儲上，一個運算上甚至計算機硬件都提出了很高很嚴格的要求。

通常地面LiDAR系統都是掃描儀生產廠商用來處理公司自營產品數據的軟件，像Leica公司的Cyclone軟件和Riegl公司的RiSCAN PRO軟件等基本的架構和功能也是差不多類似的，在這些軟件下得出的數據進行轉換成其他類型數據用AutoCAD，Geomagic，3DMAX等數據處理軟件，可以更加方便地對用戶的要求做出相應的改變。當前Cyclone已經更新到7.0版本，版本內容豐富，如添入了網絡發布，在較為系統的完成數據采集的前提下，能夠很方便地進行數據處理流程，可以應用于工程放樣，并可以通過Cyclone VIEWER模塊處理其它儀器（如航空雷達、非Leica測量系統的掃描儀）的ASCII，PTS和PTX等格式的數據

2 三維激光掃描技術在地形測量中的具體應用

2.1 數據采集

數據采集是為了了解勘測區內的具體環境信息，如具體明確標靶的位置、掃描儀以及測站數，為了保障所獲取的數據的精準性，通常會選擇較少的測站，這樣就可以省去原始數據量造成的繁雜。為了后面數據匹配有效完成，通常會將點云數據的獲取和紋理數據的獲取進行同步操作。所以，必須嚴格按照所規定的比例尺規格進行選擇對應的采樣標準，并依次逐站掃描。

2.2 數據預處理

激光雷達點云數據在進行處理的時候，主要流程有：點石匹配、噪聲消除、分割、坐標變換、圖像匹配。而對于那些不是同一站點獲取的點云數據需要嚴格匹配正確，將其歸置于一個坐標系內，進行目標構模和進行定量分析。常采用的匹配方法有以下幾種。

（1）在GPS的幫助下，獲得各個掃描站點的具體坐標位置，將獲取的點云數據置于其中，以此就可以得出較為準確的點云地理位置，并且可進一步與其它遙感數據進行同步分析處理。基于配準的基礎，利用地形的重采樣和手動點云對植被、電線桿、房屋、空氣等產生的噪音進行消除。分割點石構建目標模型。截取清晰的紋理圖像與點石匹配，作為該地區的地理樣貌特征信息資料。

（2）如在掃描的時候多次掃到相同的目標，可作為匹配的公共點坐標系，將不同站掃獲的點云置于其中。

2.3 地物的提取與繪制

提取地物特征，如房屋角點、電線桿中心點，首先需要將點云數據匹配精確，然后按照紋理信息進行人工提取。也可以采用地面三維激光掃描，對掃描的結果進行處理提取，如利用Leica的Cyclone軟件，在點石視圖中手工提取地物特征點，并以一定的格式輸出到文本文件中。如，PointNum-ber，Feature Code，E，N ， H 0格式的文件，可直接導入到大比例尺數字測圖軟件（如CASS）中繪制地物。

2.4 等高線生成

詳細的地面信息不能用三維激光掃描，因為三維激光掃描密度較大，在地形測繪當中點位過密且遍布不均。而如果采用掃描點構造三角網追蹤等值線，很可能會因為一些繁瑣的細節信息，導致等高線混亂。因此，點云數據在排除非地貌因素干擾后，都會依照地形測繪的具體精度標準做出相應的變動，最后得出數據，輸入大比例數字測圖軟件，以此生成等高線。

2.5 地形圖編輯

編輯地形圖的時候，可以將地物圖形和等高線圖形重疊編輯，但是會因為部分地物數據的刪除而影響等高線，造成等高線殘缺、異形、不完整等情況。所以，這里就需要手動修整點石數據，對照照片進行，添加高程注記，形成圖廓，修飾對局部。

3 結語

三維激光掃描系統本身就具有高效、精準的優勢，將其運用于地形測繪當中無疑是個很好的選擇，不但在很大程度上給工作人員的操作減輕了困難，還提高了工作效率，測繪結果也相比之前要好。可以說三維激光掃描系統的應用，很大程度上幫助且完善了測繪工作，使測繪工作的開展進一步擴展提升，相關數據采集較為完備。但是三維激光掃描系統在進行測繪成圖的過程當中，必須要依靠全站儀、GPS等設備高度配合的基礎下進行，精準掌握各個測站的坐標信息。而在此過程中，必須提高測站定位精度、目標物體反射面結果以及外界環境條件，主要是為了保障地形測繪成圖質量，獲取高質量的測繪成果圖。

參考文獻

[1] 孟濤.基于三維激光掃描技術的地形測量一體化應用研究[D].長安大學，2013.

[2] 邱俊玲.基于三維激光掃描技術的礦山地質建模與應用研究[D].武漢：中國地質大學，2012.

[3] 曹璽，韓賢權，周玉紅，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）：89.