三維激光移動測量技術在地形測量中的應用

張新盈

【摘要】傳統地形測量方法工作量大、效率低、數據采集量大、精度要求高、技術人員投入多、時間周期緊、成本高，快速高效的地形測量方法急需運用到實際的地形測量工作當中。三維激光移動測量系統可以以多種方式快速高效的采集外業數據，并通過后處理方式獲取地物真實的三維數據信息，能夠明顯提高地形測量工作的效率和精度。本文基于青寧輸氣管道工程項目，結合地形測量工作的具體要求，系統的闡述了采用三維激光移動測量系統進行地形測量的整個流程，探討了其中的部分關鍵技術。

【關鍵詞】三維激光移動測量系統 ?地形測量 ?精度

一、地形測量測繪技術現狀

地形測量在先階段采用的技術手段主要有以下幾種：

（一）全站儀測圖法

使用全站儀進行測圖包括以下幾個步驟：數據采集、數據處理、圖形編輯以及圖形輸出。數據采集可獲取地形圖繪制所需要的實體屬性信息以及空間位置信息。

該方法作業流程簡單、采用的設備成本較低而且數據精度高，方便進行內外業一體化作業，在進行地形圖測繪時，可以同時進行地形測量和控制測量，該方法作業流程簡單、采用的設備成本較低而且數據精度高，方便進行內外業一體化作業，在進行地形圖測繪時，可以同時進行地形測量和控制測量。傳輸設備、繪圖儀、計算機的連接構成一體式的測繪系統極大的提升了地形圖測繪的測繪質量及工作效率但是工作效率非常低、而且比較容易受到環境等因素的影響（如兩點間需要通視，部分復雜地區需要連續搬站）。但是工作效率非常低、而且比較容易受到環境等因素的影響（如兩點間需要通視，部分復雜地區需要連續搬站）。

（二）RTK實時動態定位技術

RTK具有實時、動態、快速等特點，測量過程的實時動態顯示使得工作過程較為透明、直觀;外業作業時間短;作業時間不受限制;自動化水平高;大大降低了外業測繪人員的工作強度，測圖所需的控制點數目較傳統測圖減少許多，"先控制測量、后碎部測圖”的測量方式得以改變，只需一個人采集數據，并將其導入相關軟件中，可編輯各種比例尺的地形圖，減少勞動人數，提升測圖效率。但作業效率仍然很低，工作量大，難以滿足工期任務要求。

（三）近景攝影測量

近景攝影測量的典型特點不接觸被量測對象、快速、實時地測定大量點，可以在線和實時處理數據一瞬間記錄下物體的形狀、大小、幾何位置、變形等特征數據，自動化程度高。但容易受到環境因素的影響，作業范圍小。

二、三維激光移動測量系統組成

三維激光移動測量系統有激光掃描儀、慣性導航系統、時間同步模塊、GNSS天線、單反相機（機載模式）、全景相機（車載模式組成）。激光掃描儀獲取目標地物的空間信息數據有快速均勻高質量的特點;GNSS天線獲取地物高精度定位信息和時間信息;慣性導航系統可以獲取獲取數據瞬間的三維位置信息、速度信息、姿態信息，為提高定位精度常與GNSS天線組成組合導航系統;單反相機和全景相機實在不同模式下獲取地物的紋理色彩信息;時間同步模塊是將GNSS天線獲取的時間信息同步給激光掃描儀、慣性導航系統和相機，保持系統各個部件單元時間的一致性。

三、三維激光移動測量系統的優勢

三維激光移動測量系統可以搭載不同平臺快速獲取地表地物的三維空間信息運行成本低、自動化程度高，提高了工作效率，減少人工外業測量的危險性。其優點十分明顯。

（1）作業系統相對獨立：在整個測成圖過程中通過該系統及其配套軟件便能夠完成電子地圖的繪制，期間可以不需要任何底圖。

（2）成果獲取效率高：外業測圖工作以正常行車速度可方便完成，內業數據處理軟件對數據進行快速的編輯處理。相對傳統方式而言，作業效率提高了一個數量級，測制與快速更新導航電子地圖的就有了很好地保障。

（3）數據融合度高：能夠很好的與傳統地形圖、衛片、航片等融合主要借助車載移動測量系統及其配套的處理軟件處理，獲取信息更為全面。

（4）成本低、安全性高：完成數據采集需求人員少，降低了作業成本。而且外業大部分工作通過內業完成，與傳統外業工作相比安全、舒適。

四、三維激光移動測量系統的地形測量中應用實例

結合青寧輸氣管道選線項目利用三維激光移動測量系統進行地形測量。

（一）作業依據

（1）《全球定位系統（GPS）測量規范》GB/T 18314-2009

（2）《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范》CH/T 2009-2010

（3）《數字測繪成果質量檢查與驗收》GB/T 18316-2008

（4）《高程控制測量成果質量檢驗技術規程》CH/T 1021—2010

（5）《平面控制測量成果質量檢驗技術規程》CH/T 1022—2010

（6）《機載激光雷達數據處理技術規范》CH/T 8023-2011

（7）《數字航空攝影規范 第2部分：推掃式數字航空攝影》GB/T 27920.2-2012

（二）采用基準

坐標系統：2000國家大地坐標系和1980西安坐標系;

高程系統：1985國家高程基準;

坐標投影：采用高斯—克呂格投影，中央子午線120度，3度分帶;

成圖比例尺：1：2000。

（三）項目概況與資料收集

測區由北向南橫跨536km，沿線以平原和丘陵為主。丘陵主要分布在山東境內，高差變化較緩，江蘇境內以平原為主。交通路網發達，便于車輛通行。在谷歌地球上獲取，測區高程在14-278米之間，整體高差變化不大，航測難度系數較小。但是整個測區沿線橫跨2個軍事作戰區，2個民用機場，1個軍民共用機場。中線距機場最近距離約為3km，以機場為中心，半徑30km內空域受機場管制。每駕次起飛前，需征求管制單位意見，得到許可后，方可起飛航測，空域情況非常復雜。單駕次有效飛行時間較少，實際作業中航測難度較大。

已有資料包括甲方提供的測區范圍及向國家申請的控制起算數據。

經向國家有關部門申請，獲取測區沿線一定數量的C級GPS控制點和四等以上水準點，作為控制數據的起算數據。

（四）控制測量

根據本測區技術設計書的要求，本次D級GPS控制網測量選擇中央子午線為120°00′00″，投影面分別為1980西安坐標系參考橢球面和2000國家大地坐標系參考橢球面。起算點共12個，分別為江蘇省范圍內的3065﹑3073、5063、3252、3253、3167、3249和山東省范圍內的GPS54、GPS57、C099、C098、C094。

本次D級GPS控制網測量投入南方S86型雙頻三星GPS接收機7臺套（備用1套）。接收機出廠編號為0297﹑6145﹑0871﹑9725﹑0188﹑6131和3486。經國家光電測距儀檢測中心鑒定為合格，在有效期范圍內。本次觀測以前，該套設備已開展過多個測區的GPS控制測量任務，儀器性能穩定，觀測質量良好。

經外業觀測及網平差，平差后最弱邊相對中誤差為1/495136，滿足規程要求。

（五）航測作業采集數據

控制點布設完畢后，按照航線設計方案進行數據采集。機載移動測量系統由多個傳感器集合而成，系統關聯程度大，技術復雜度高，為保證完成高質量數據的采集，通常需要做好如下環節：設備安裝與基站架設;偏心矢量測量;確定作業時間;飛行前準備工作;數據采集;補飛或重飛。

（六）數據處理及激光雷達數據處理及3D數據生產如下圖1、圖2。

五、結論

地形測量作業范圍廣，地形復雜，條件艱苦，工作量大，精度要求高，傳統測量的辦法進行地形測量效率較低、需要大量的外業人力投入，成本高、時間長，而且受天氣影響極大，外業計劃變數大使得整個作業流程受影響，效率地下。三維激光移動測量技術的快速獲取地表地物的真實三維數據信息的特性正好彌補了傳統作業的不足：效率高，人員投入少，可以廣泛運用到各種地形測量工作中。

基于青寧輸氣管道工程，運用三維激光移動測量系統制作了村落的1：2000比例尺的DEM、DOM、DLG。從三維激光移動測量技術在地形測量中的應用出發，介紹了三維激光移動測量系統的組成、工作原理、外業數據采集、數據處理和3D數據產品生產的全過程。系統的闡述了利用三維激光移動測量系統采集的數據制作3D產品的整個流程。得出的主要結論有以下幾點：

（1）結合地形測量的工作規程和技術要求，分析三維激光技術在地形測量中的應用優勢：大范圍的地形測量項目首選三維激光技術來解決。

（2）研究三維激光移動測量系統的基本流程和關鍵技術。包括控制網布設、航線規劃設計、數據獲取、數據質量檢查等外業工作，數據預處理、激光雷達數據處理機3D數據生產等內業數據處理工作。

（3）結合具體生產實例，驗證三維激光移動測量系統在地形測量中的數據精度精度，總結分析三維激光移動測量系統在地形測量中的作業流程和技術方案，及制作3D產品的注意事項。

（4）提前規劃多套飛行方案，制定多套規劃航線，根據空域實時情況快速調整飛行方案，有效的提高了外業飛行效率。針對臨近冬季，軍方飛行活動增加，多套規劃航線的制定，從兩個方面體現，針對作業時間和天氣上，分區域分塊制定航線，一旦天氣變化及收到禁飛通知，可以實時有效調整方案，切換至有效區域按計劃飛行，提高效率。

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