三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖繪制

韋運程

【摘 ?要】三維激光掃描技術(shù)具有無接觸、快速記錄掃描對象表面的完整信息的特點，將其特點應(yīng)用于地形測量中可有效地提高地形測繪的作業(yè)效率和成果精度。本文介紹了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地形測量中的流程，對三維點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論;并通過實踐案例做了具體介紹，最后進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;地形圖

1引言

三維激光掃描技術(shù)是一種新興的測繪技術(shù)，能夠進(jìn)行全自動、高精度、高效率、遠(yuǎn)距離地立體掃描，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”。傳統(tǒng)的地形圖測量方法如全站儀、RTK等均是離散點采集，獲取信息量不夠全面，且存在采點困難，如測量人員無法到達(dá)或信號接收不佳，導(dǎo)致效率低下;若采用航空攝影測量、遙感等方法，雖然速度快，也可獲取大量信息，但是成本代價過高。地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為地形圖測繪，尤其是大比例尺地形圖，提供了新的思路。

2三維激光掃描技術(shù)在地形測繪的優(yōu)勢

2.1常規(guī)地形測繪的現(xiàn)狀

常規(guī)地形測繪方法一般采用全站儀和GNSS RTK方式進(jìn)行地形圖測繪，這兩種方式應(yīng)用時間比較久，流程非常成熟，而且現(xiàn)在儀器較廉價，但也存在如下缺點：

（1）測量效率不高。常規(guī)測量方法通常需要測量人員到達(dá)測量點進(jìn)行實地作業(yè)才能完成數(shù)據(jù)采集，對于大面積或不易到達(dá)的測區(qū)，通常需要耗費大量的人力、物力和時間，因而測量效率不高。

（2）測繪成果單一。常規(guī)地形測量通常采集的是離散點數(shù)據(jù)，對于內(nèi)業(yè)人員來說無法對測區(qū)實際情況有詳實的了解，往往需要與外業(yè)人員反復(fù)溝通;繪制出來的地形圖以平面顯示反映真實三維地形地貌，具有一定的片面性和局部性。

2.2地面三維掃描技術(shù)的優(yōu)勢

隨著計算機硬件、軟件、制造工藝的快速發(fā)展，出現(xiàn)了專門用于測繪的三維激光掃描儀。三維激光掃描儀主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號，從而可以進(jìn)行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標(biāo)。與常規(guī)地形測繪方式相比，雖然目前三維激光掃描數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)對硬件要求較高，儀器設(shè)備相對昂貴，但其優(yōu)點也非常突出：

（1）無接觸測量。三維激光掃描技術(shù)對施測區(qū)域無接觸掃描測量，直接獲取掃描區(qū)域內(nèi)地形地物空間三維信息和其他屬性信息，反映測區(qū)的全面真實地形地貌;對于一些人力難以或更不不能達(dá)到區(qū)域尤為適用，這都是常規(guī)測量方式無法比擬的。

（2）掃描速度快。目前，三維激光掃描系統(tǒng)掃描速度最高已達(dá)百萬點每秒，對于逐點測量這種常規(guī)測量來說是無法企及的。

（3）分辨率高。三維激光掃描可以進(jìn)行高質(zhì)量、高密度掃描，測點精度和掃描點間距可以到毫米級。

（4）應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強。由于三維激光掃描具有卓越的技術(shù)特點，因此其在工程建設(shè)各領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。而且該技術(shù)對使用條件要求不高，可以全天候作業(yè)，適合野外作業(yè)。

3點云數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，還需用專門的軟件對獲取的大量點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能得到最終成果。其中點云數(shù)據(jù)處理主要包括以下四個環(huán)節(jié)。

（1）點云拼接。由于外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，受到測區(qū)通視條件影響，同時三維激光掃描儀掃描范圍也有限，通常不能夠一站覆蓋整個測區(qū)，而是需要進(jìn)行多站掃描，最終實現(xiàn)多站點云數(shù)據(jù)的拼接。

（2）點云過濾。三維激光掃描儀在掃描過程中會掃描到植被、行人、車輛等對繪制地形圖無用的點，在繪制地形圖之前必須把這些無用點盡可能剔除，否則會影響到最終成果的精確性。目前點云過濾采用人機協(xié)作來處理。

（3）坐標(biāo)系的統(tǒng)一。三維激光掃描出的數(shù)據(jù)往往是以各測站為基準(zhǔn)的掃描坐標(biāo)系，實際生產(chǎn)應(yīng)用中是大地坐標(biāo)系或者獨立坐標(biāo)系，這就需要把掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系或者獨立坐標(biāo)系中。因此，在進(jìn)行三維激光掃描之前，需要布設(shè)一些滿足測圖精度要求的控制點，在這些控制點上架設(shè)標(biāo)靶，掃描過程中把這些標(biāo)靶也掃描進(jìn)來，從而使得這些控制點同時具有掃描坐標(biāo)和大地坐標(biāo)或者獨立坐標(biāo)，方便后續(xù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（4）地形（貌）特征點（線）提取。掃描的點云數(shù)據(jù)通過拼接、過濾、坐標(biāo)系的統(tǒng)一這些預(yù)處理之后就可以進(jìn)行地形圖繪制工作。通常的做法是在點云處理軟件中提取地物（貌）的特征點（線），把這些特征點（線）導(dǎo)入到第三方專業(yè)繪圖軟件中進(jìn)行地形圖繪制。

4應(yīng)用實倒

采用天寶最新推出的TX8三維激光掃描儀在某小區(qū)進(jìn)行三維激光掃描。小區(qū)內(nèi)樹木繁茂，通視條件不佳。一臺外業(yè)設(shè)備，一人四小時完成12萬平方米區(qū)域掃描，數(shù)據(jù)處理及內(nèi)業(yè)地形圖繪制一人三天即可完成，充分體現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中作業(yè)效率高、成圖精度高的優(yōu)勢。

4.1數(shù)據(jù)采集

天寶TX8采用脈沖波技術(shù)，在掃描速度百萬點/秒情況下，120米測程保持測距精度優(yōu)于2mm，保證了掃描數(shù)據(jù)的精度;在18%～90%反射率條件下掃描得到>=80%的數(shù)據(jù)，保證了測區(qū)信息的完整性;采用天寶專有的“Lighting”技術(shù)，在掃描過程中平滑點云數(shù)據(jù)、抑制噪聲，使得掃描出的點云非常純凈，大大減少了內(nèi)業(yè)濾波時噪點刪除的工作量;360°×317°超大掃描視場角，保證一次掃描范圍更廣，可有效減少測站數(shù)，提高外業(yè)作業(yè)效率。

在測區(qū)均勻布設(shè)了7個圖根控制點，掃描過程中同時對這些圖根控制點上的標(biāo)靶也進(jìn)行掃描，總計掃描了38站。

4.2點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)拼接。采用天寶RealWorks軟件的“無目標(biāo)自動拼接”功能實現(xiàn)不同測站點云數(shù)據(jù)拼接，拼接總體精度在2.6mm。利用4個圖根控制點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，內(nèi)符合精度在7mm。

4.3大比例尺地形圖制作

4.3.1地面點、非地面點分離

非地面點是指植被、房屋、路燈、電線等非地面數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的存在會影響地面三維模型的生成，所以在建立地面三維模型前需要進(jìn)行地面點與非地面點分離。本實驗在天寶RealWorks軟件中，利用地面點濾波工具，通過設(shè)置格網(wǎng)大小及地面點厚度進(jìn)行地面點與非地面點分類，得到的地物點。

4.3.2提取地物特征點與特征線要素

利用AutoCAD2008軟件提供的樣條曲線工具等功能命令手工繪出道路、國旗臺、路燈等地物的特征點與特征線要素。

4.3.3地形圖繪制與編輯

在AutoCAD2008軟件中手工提取地物特征點線后以DXF的格式輸出，然后在CASS9.0軟件中打開文件，依據(jù)地物特征點線按照1：500比例尺要求繪制地物符號。在CASS9.0軟件可完成地形圖的整飾。

5結(jié)語

三維激光掃描儀可以高精度地、無接觸、自動高速地獲取局部地物細(xì)節(jié)信息，復(fù)雜地物多特征信息及危險區(qū)域信息，在大比例尺地形圖制圖方面具有顯著的優(yōu)勢。但是由于掃描精度較高，點云數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量龐大，并存在許多冗余信息，內(nèi)業(yè)時間花費較多，如何在不影響精度的前提下快速制圖是今后的一個重要研究方向。

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