基于三維激光掃描技術的城市大比例尺數字測圖研究

魏士春

（山東正元地球物理信息技術有限公司，濟南 250101）

1 引言

當今城市發展日新月異，城市街道兩側遍布高樓大廈，為滿足城市規劃建設需要，迫切需要對城市進行大比例尺地形圖測繪工作，然而，遍布城市的高樓大廈建筑結構日益復雜，加之城市中車輛、人流較多，商鋪林立，給地形測圖工作帶來了很大困難，傳統的測繪作業模式已不能滿足當前測繪工作的需要。隨著技術的進步，三維激光掃描技術是近幾年發展起來的較為成熟的技術，其自身的諸多優勢，為測繪行業帶來了新的技術突破。

2 當前城市大比例尺測圖現狀

就我國目前情況來看，大多數城市及地區均已對城市建成區進行了大比例尺地形圖測繪并建立了基礎地理信息數據庫，在數字城市建設、城鄉規劃管理等工作中發揮了巨大的作用。但是隨著城市發展的日新月異，特別是近幾年城市建設的突飛猛進，城市面貌煥然一新，原有地形圖數據的現勢性及更新速度已跟不上城市建設的步伐，因此，如何實現城市大比例尺地形圖的快速更新工作就顯得尤為重要和迫切。如何快速高效地實現數字地形圖更新是測繪工作的重要考慮因素。當前，大比例尺地形圖測繪方法主要有以下幾種：

①全站儀法：本方法是數字地形圖測繪最常用的作業模式，該方法利用全站儀野外設站逐點采集目標點的坐標值，配合電子平板或者手繪草圖的方法測繪地形圖，該方法的優點是設站靈活、適應性強，缺點是需要逐點測繪、內外業工作量較大、對作業人員素質要求較高、比較費時且作業效率不高。

②GNSS RTK法：本方法是利用RTK連接基準站或者GNSS CORS站等作業模式直接采集目標點的坐標配合電子平板或者手繪草圖的方法進行作業，該方法較全站儀法采集點更加便捷，但是由于受周圍環境影響較大，遇到信號遮擋等情況將無法作業，特別是城市大比例尺測圖中，受周圍建筑物及樹木遮擋嚴重，該方法基本無法使用。

③無人機航測法：該方法是近幾年新興的低空航測測繪方法，其具有機動靈活、高效快速、作業成本低等諸多優點，但從實際應用效果來講，其并不適用于城市大比例尺地形圖測繪項目，無人機航測空域申請在城市建成區申請較為困難，其測繪精度根本無法滿足大比例尺測圖的需要。

3 三維激光掃描測量方法簡介

三維激光掃描測量的方法就是大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。它屬于一種立體測量技術，又被稱為“實景復制技術”，是繼全球定位系統技術之后又一項測繪技術新突破[1]。與傳統測量技術相比，它能完成對復雜物體的測量，它的特點就是快速性、不接觸性、實時、動態、高密度、高精度獲取地面的三維信息[2]。

三維激光掃描儀主要是一部快速準確的激光測距儀加上一組可導引激光，以等速度掃描的反光棱鏡加高清攝像機組成。從掃描的空間位置或系統運行平臺來劃分，可分為手持式激光掃描儀、地面型三維激光掃描儀、機載型三維激光掃描儀，在城市大比例尺地形圖測繪作業中一般應用地面型三維激光掃描儀。激光測距儀采用脈沖式測量，可以在主動發射激光的同時接收來自自然物體的反射信號并進行測距，針對每一掃描點可測得測站至掃描點的斜距，配合掃描的水平角和豎直角，可以求得每一掃描點與測站點之間的坐標差，若測站點和一個定向點的坐標為已知值，則可以求得每一掃描點的三維坐標。

三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市以及軍事分析等領域也有了很多應用。其技術優勢有以下幾點：

①非接觸測量。三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，對掃描目標物探不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的空間三維數據且真實可靠。可以用于解決危險目標、環境（或柔性目標）及人員難以企及的情況，具有傳統測量方式難以完成的技術優勢。

②數據采樣率高。三維激光掃描儀可以達到數十萬點/秒，采樣速率是傳統測量方法難以比擬的。

③主動發射掃描光源。三維激光掃描技術采用主動發射掃描光源（激光），通過探測自身發射的激光回波信號來獲取目標物體的數據信息，因此，在掃描過程中，可以實現不受掃描環境的時間和空間的約束。

④高分辨率、高精度。三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取海量點云數據，可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率的目的。

⑤數字化采集，兼容性好。三維激光掃描技術所采集的數據是直接獲取的數字信號，具有全數字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進行數據交換及共享。

⑥可與GPS系統配合使用。這些功能大大擴展了三維激光掃描技術的使用范圍，使其對信息的獲取更加全面、準確。內置數碼攝相機的使用，增強了彩色信息的采集，使掃描獲取的目標信息更加全面。GPS定位系統的應用使得三維激光掃描技術的應用范圍更加廣泛，與工程的結合更加緊密，近一步提高了測量數據的準確性。

4 三維激光掃描測量作業方法

用三維激光掃描儀以每秒約1百萬個點的掃描速度，對被掃物體進行快速高效的掃描，迅速得到被掃物體的各點三維坐標，得到反映被掃物體空間位置信息的點云數據。將點云數據導入計算機中，通過專業大數據處理軟件及快速加載等技術的處理，將海量數據瞬間加載，對點云數據進行加工處理，就可以得到被掃物體立體的三維模型。

基于三維激光掃描技術進行城市大比例尺測圖的作業方法主要有以下幾個步驟（如圖1所示）。

圖1 作業步驟

4.1 測區踏勘

首先要對測區進行實地踏勘，了解整個測區的概況，初步劃分掃描作業區域，同時收集測區內已有的地形圖、控制點等成果資料，另外，在測區內尋找可利用的外接電源，以便為掃描儀提供外接電源。

4.2 控制點布設

要在測區的有效觀測范圍內布設足夠數量的控制點，各控制點間要保證至少與一個點通視，各點間的距離大致相等，以間距150～200m為宜，控制點應選擇在利于安置儀器且不易受外界環境影響的地方。將GPS定位和三維激光掃描儀測量結合起來，可將三維激光掃描成果轉換到局部坐標系中[3]。布設控制點的目的就是利用其實現將點云數據的掃描坐標系到絕對坐標的轉換。控制點布設方法有GNSS RTK法及全站儀導線法，控制點的精度決定了點云數據轉換到絕對坐標系的精度。

4.3 點云采集

在控制點附近選擇適當位置設站采集點云數據。掃描站點必須選擇在平坦、穩定的地方，嚴禁在路上的非固定石板、石塊、雜草叢生或者土質松軟處安置儀器，在保證精度的情況下，每個掃描站點應能最大限度地掃描目標場景，并且盡量保證每個掃描站點上無被遮擋區域，受周圍人員、車輛等影響較小。根據測量要求和實際情況，在測區內布設標靶。標靶應布設在不同掃描區域內的重疊區內，至少要布設3個以上的標靶，各個標靶不能布設在一條直線上，標靶的高度盡量與設站高度相當。設站點與目標點距離不宜大于150m，為了滿足各站點云數據拼接的需要，相鄰兩站之間至少要保證4個同名點，為了使標靶在點云上判讀起來更清晰，要控制在距離設站點30m以內。

在掃描站點上安置好儀器并設置好掃描分辨率等參數開始掃描，當使用標靶進行點云配準時，應對標靶進行高分辨率掃描，以確保靶心坐標的提取精度。掃描過程中應盡可能避免人員走動，以減少儀器震動引起的掃描異常。每站掃描結束后，應現場檢查數據，判斷是否有遺漏和重復掃描區域，檢查標靶的空間采樣率是否符合要求等。

在控制點上架設全站儀實測標靶坐標。標靶定位的準確性會直接影響到點云配準的精度及后續的數據處理精度。

4.4 點云處理

點云處理是三維激光掃描作業的重點，雖然地面三維激光掃描作業獲取數據速度非常快，但因其數據量巨大，數據處理需要花費大量時間，一般每種掃描儀都配備專用點云數據處理軟件。點云處理主要分為點云降噪、點云拼接、坐標轉換、點云化簡及三維建模等工作。原始點云數據中包含大量的噪聲，噪聲來源多種多樣，如非被測目標物點、周圍震動引進的掃描異常點等，可通過人工選擇刪除及軟件自動去除兩種方式消除噪聲。由于每一站所獲得的點云數據坐標均處于以當前掃描站為基準的掃描坐標系下，為了得到整個區域的完整點云數據，必須將每站的點云數據轉換到同一坐標系下，可通過標靶定位來實現點云拼接及坐標轉換。地面激光掃描獲取的海量點云數據一方面能詳細描述被測物體特征，但另一方面也為數據處理帶來了很大困難，過多地占用計算機資源，造成數據處理緩慢，因此，需要刪除對作業任務無關的數據，將數據簡化后以利于后續操作。

表1 平面高程精度對比表

在城市大比例尺地形圖三維掃描作業中，建議采用基于控制點的單站配準方法進行多站點云配準[4]，該方法由于與控制網相連，因此，能夠直接將點云數據轉換到目標坐標系中，具有精度高、誤差不積累、內業處理時間短等優點。該方法的作業步驟如下：首先在待掃描區域建立統一控制網，然后將待測區域劃分為若干子區域，每一子區域范圍內布設標靶，標靶個數不得少于三個。利用地面三維激光掃描儀對每一子區域進行掃描，同時利用全站儀實測標靶坐標，得到標靶在統一控制網坐標系下的坐標。提取標靶在當前掃描儀坐標系下的坐標，利用標靶的兩套坐標，即可獲取每一子區域掃描儀坐標與全站儀坐標的變換參數。由于全站儀測得的標靶坐標已經在一個統一的控制網坐標系下，因此，利用每一子區域的變換參數將每站掃描數據轉換至全站儀坐標系下，就已構成了在統一控制網坐標系下的點云數據，從而直接完成多站點云的配準。

4.5 要素矢量化

以處理好的點云數據為基礎，在專業軟件中采集相應地物、地貌特征點進行手動矢量化，矢量化完成后導出為DXF格式成果文件，方便導入CAD中。

將矢量化的DXF成果文件導入測圖專業軟件中進行符號化、圖廓整飾等工作。

4.6 外業檢查

對成果圖進行外業巡視檢查，對與實地不符的要素進行修補更正，直至正確無誤。

5 應用實例

重慶市沙坪壩區某新建小區，建筑物結構復雜，園林綠化造型各異，如果采用傳統測繪方法難度較大，效率較低，采用地面三維激光掃描測繪作業可以快速高效地獲取測區三維地理信息數據。

首先經過實地踏勘了解了測區的基本情況，利用重慶CORS系統采用GPS-RTK方式布設圖根控制點16個，控制點間距150m左右，采用徠卡高效一體化ScanStation C10三維激光掃描儀進行三維激光掃描測繪作業，采用基于控制點的單站配準模式進行點云數據配準，根據測區范圍及掃描儀的視角，將整個測區劃分為8個子區域，在每個子區域中設置了8～15個標靶，利用全站儀在控制點上實測各標靶的坐標，利用掃描儀在各個區域中進行掃描，并對標靶進行精掃。內業采用Cyclone7.1軟件進行點云降噪、點云拼接、坐標轉換、點云化簡及矢量化等工作，利用南方測繪Cass9.2成圖軟件進行內業編輯成圖并進行外業檢核修改。經試驗精度符合要求（見表1），作業效率相比傳統測繪方法提高5～8倍以上。

6 結語

三維激光掃描技術應用于城市大比例尺測圖中，具有傳統測繪方法無可比擬的技術優勢。經實際驗證，采用基于控制點的單站配準方法進行多站點云配準的地面三維激光掃描測繪技術是城市大比例尺地形圖測繪作業時比較可靠實用的作業模式。三維激光掃描測繪作業克服了傳統測繪方法單點測量、速度慢等缺點，極大地減少了外業測繪的難度及工作量，采集的三維坐標準確可靠，采集數據信息豐富，能夠極大地提高測繪作業效率，地面三維激光掃描技術的出現為空間信息獲取提供了新的手段，應用前景廣闊。