三維激光掃描技術在地形測繪中的應用

汪仁銀，李開偉，陳 銳，葉 波

(1.四川水利職業技術學院，四川 成都 611231; 2.武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

采用三維激光掃描技術進行地形測繪是對傳統方式的重大變革。三維激光掃描技術結合了RTK技術，在測定掃描儀測站點定位和后視標靶坐標定向后，獲得全景范圍內可見面域空間點連續的三維坐標和影像，在視線不可及的地方再設站掃描，以致整個測區有重疊無漏洞。

1 作業流程

作業流程如圖1所示。

圖1 作業流程

1.1 外業數據采集

首先對測區周圍環境進行踏勘，確定掃描儀和標靶的位置。一是要保證數據完整性；二是要盡量減少數據量；三是拍照便于數據處理、編輯修改。

1.2 點云數據配準

由于每次掃描只能得到測站為原點定義的一個局部坐標系中，在掃描區域中設置一些控制標靶，從而使得相鄰測站至少有3個同名控制標靶，通過同名控制標靶對多測站數據統一坐標系。

1.3 地物的提取與繪制

地物特征點是在配準好的點云數據中提取的，如房屋角點、電線桿中心點等。可以利用后處理軟件手工或算法擬合特征點，并以一定的格式輸出到文本文件中。

1.4 地表數據獲取

由于是對整個測區空間信息的掃描，包含了地表的所有信息，地表植被會影響等高線的自動生成，因此在生成等高線前需將非地表數據剔除，目前還沒有相應的軟件能做到完全自動化剔除。

1.5 等高線生成

掃描時距離設備較近時密度較大，對于地形測繪其點位太密且分布不均勻，需要抽稀處理。若直接用原始數據來構三角網追蹤等值線，其細節信息過多，會導致等高線紊亂。因此，需剔除非地貌數據，按地形測繪要求的密度進行抽稀，最后導入對應數字測圖軟件中，自動生成等高線。

1.6 地形圖編輯

將地物圖形與等高線圖形進行疊加、編輯，同時由于切除了地物部分數據，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對照照片及點云數據，手動進行修改，最后加上高程注記，生成圖視圖例圖廓，進行局部修飾。

2 應用案例

2.1 山區丘陵地帶野外地形

點云數據如圖2、圖3所示。

圖2 每站點云用不同顏色顯示

圖3 距離掃描儀164 m處某棵樹的兩站點云效果

(1) 外業采集：架站10 min，采集13 min，運輸7 min，平均每30 min一站數據。采集面積為0.883 km2。

(2) 內業處理：主要為拼接、坐標轉換、去噪、等高線、地形繪制，10 min處理一站數據。

(3) 精度驗證：由于多為山區地形，沒有太多立面的房屋，不能很好地擬合交線與RTK打的房屋角點進行對比，因此在如下一個地方進行了精度驗證試驗。

2.1.1 坐標提取

在軟件中提取特征點的坐標，將RTK坐標和點云坐標錄入Excel中，對比分析3個方向的差值及三維距離，并分析均方差。

通過不同的顏色顯示呈現兩站點云，在不同距離上比較房屋角點與RTK實際測量的數值，進而統計出精度報表，如圖4所示。

圖4 RTK點坐標導入

將轉換過坐標的房屋拐點點云坐標量測出來與RTK坐標比對、統計，如圖5所示。

圖5

2.1.2 精度對比

將RTK采集的對應特征點，與點云進行對比計算，得出平均值與中誤差，如表1、圖6所示。

圖6 橋面兩站點云

由圖6可知，在點云中兩側橋面的寬度為11.522 0 m，RTK數據在CAD中為11.521 3 m。差距為1 cm，足精度要求。

表1 精度驗證

2.2 城市小范圍測地形

(1) 精度驗證比對方法:以實測坐標為基準，與點云中提取的坐標比對，統計其精度。

(2) 坐標提取:在軟件中提取相應特征點的坐標，并分析均方差,如圖7所示。

圖7 全站儀測點與點云疊加(示例)

(3) 繪制地形圖：在軟件中繪制整個區域地形圖，并量測對應兩點間距對比點云間距，判定精度，如圖8、圖9所示。

(4)精度對比：由圖8、圖9可知，大樓的寬度(靠籃球場一側)在點云距離為7.926 7 m，CAD中距離為7.916 7 m，差距為1 cm，滿足精度要求。

2.3 帶狀地形

2.3.1 河道類型

為避免地質環境或工程建設誘發加劇地質環境問題，利用激光對景區河道進行掃描，后期進行數據處理，繪制地形圖完成對河道的地質環境調查，判斷地質災害類型，為河道治理、景觀設計提供依據。

圖8 在點云中繪制地1∶500形圖(示例)

圖9 在CAD中測距示意圖(示例)

2.3.2 點云數據

點云數據如圖10、圖11所示。

圖11 河道整體點云數據

2.3.3 測圖成果

獲得點云數據后，通過后處理軟件，設置等高距，自動生成等高線，并聯動CAD軟件，繪制并保存，如圖12、圖13所示。

圖12 河道整體等高線

圖13 河道局部等高線和點云

在軟件中還可以繪制水位線，進行空間量測、軟件實時聯動顯示到成圖軟件中，繪制完畢即可成圖。

3 結 語

本文應用案例證實了地面三維激光掃描技術在大比例尺地形測繪中的應用，在測區面積較大時能夠快速而精確地采集大量點云數據，有效節約人力物力，縮短工期，提高工作效率和經濟效益；在復雜地形和危險測區，能夠不直接接觸危險目標，詳細、快速地進行外業數據采集，既保證了人員和設備的安全，又保證了成圖精度要求，并同時提高工作效率。

使用三維激光掃描儀，在山地丘陵區、城市地形測圖、帶狀地形圖都具有一定的優勢和弊端。掃描技術在大比例尺地形測繪應用實踐中，未來可以結合具體地形條件對以下問題進行優化：外業掃描前對測站和后視標靶的布局設計；內業點云數據的拼接和去噪可靠性；數據系統誤差的來源和削減；數據質量的外符合評價。