三維激光掃描在地形測量中的應用

黃鵬HUANG Peng

（貴州遵義水利水電勘測設計研究院，遵義563000）

0 引言

社會經濟發展對測繪工作提出了更高的要求。探索使用新型對地探測技術解決地形復雜、植被茂密、人跡罕至的山區測繪難題，發揮快速探測技術優勢成為眾多測繪工作者面臨的新任務。但，傳統測量技術的使用僅可以對工程局部點位進行單點測量，且作業效率低、精度上需要反復校正。三維激光雷達技術發展迅速，區別于被動獲取信息的光學遙感，是一種新型的主動式遙感技術，其優勢主要表現在采集效率高、數據精度高和植被穿透性強三個方面。該技術在山區地質調查、基礎測繪、三維建模等方面逐步得到了推廣和應用。

1 三維激光掃描技術的應用原理和工作優勢

1.1 應用原理

三維激光掃描技術又稱三維實景復制技術，該項技術在實際的應用過程中，主要通過使用激光設備有效實現待測目標區域的實景掃描工作。通過掃描得到圖像信息，可以獲取掃描測量區域范圍內各種環境要素控制點位等，還可以收集測量物體表面的光反射強度以及對應的顏色分布信息，生成空間三維點信息，實現對待測區域的空間環境、建筑結構以及環境情況等全面掃描。三維激光掃描設備的應用，主要包含激光測距儀設備、反光棱鏡設備以及全新數碼相機等組成部分。激光測距儀設備主要使用脈沖式測量工作原理，可以在工作過程中主動發射相應的激光信號，實時接收來自掃描區域范圍內物體產生的反射信號信息，以此可以有效實現遠距離水平角和豎直角的精確測量工作。通過所獲取的測量數據信息，可以準確計算被掃描點和測量原點之間的坐標差。如果測量站點與同一個定向點的坐標為已知參數，則可以準確計算對應掃描點的空間三維坐標情況。

1.2 應用優勢

①準確高效性。三維激光掃描系統可以大范圍、高分辨率、高精度地采集目標物體的坐標。不同于傳統激光掃描儀的標靶拼接，可通過后視定向技術進行點位快速匹配，并能以1200 萬點/min 的點速率進行掃描，這大大縮短了外業工作時間，簡化了內業數據處理工作流程。②獨立性。三維激光掃描系統體積小、重量輕、便于攜帶；其自身可完成三維點云-面-體的全過程；系統的點密度極高，同時PointStudio 軟件也具備自動拼接、后臺交會功能，因而設備無須全站儀全程配合。③強固性。三維激光掃描系統結構緊湊，符合IP65 防護等級，即可完全防止粉塵進入，不受任何角度低壓噴射的影響，可適應-40～+50℃的溫度。④可調節性。適應三腳架、延伸桿、車載、機載多種環境的測量；且可在獲取點云數據的同時直接瀏覽測量結果，外業中可任意定義掃描區域及點云密度。⑤兼容性。三維激光掃描系統PointStudio 等處理軟件的數據成果可與Surpac 等第三方礦業軟件無縫對接；掃描儀上配備全站儀棱鏡或RTK 接口，可與傳統儀器進行坐標數據的快速轉換。⑥數圖同步性。三維激光掃描系統內置工業級線性數碼相機，像素達到1.47 億，影像數據與點云數據同步采集，幫助測量人員在現場進行綜合判斷、在內業時編錄礦巖邊界和節理裂隙。⑦主動性。三維激光掃描系統采用主動發射掃描激光的方式進行工作，掃描過程不受掃描環境的時間、空間約束。

2 傳統測量方法及難點

2.1 傳統測量方法

采用傳統測量方法主要任務包括：地上控制測量、聯系測量、地下控制測量、地下空間數據獲取等。地上控制點可以利用網絡實時動態載波相位差分技術（Real-TimeKinematic，RTK）布設控制點，也可以根據現場情況布設導線點。因為山區測量位置是固定的，為了提高控制點的精度，盡量在測區附近布設控制點。高程采用水準儀聯測附近已知高程點。聯系測量的目的是為測量中的導線提供起算坐標、方位角以及起算高程，通常情況下測區不具備鉆豎井的條件。因環境限制無法滿足導線布設要求時，可以布設不多于四條邊的支導線，最大邊長不應超過160m，前視邊長不應超過后視邊長的兩倍。高程控制測量采用幾何水準或三角高程。采用全站儀極坐標法測量，對于全站儀無法直接測量的隱蔽角點，使用測距儀或鋼尺量取待測點到已測點的距離，利用空間關系計算待測點平面坐標。

2.2 采用傳統測量方法的難點

采用傳統的測量方法數據精度低，山區采集效率受光線影響大、作業員勞動強度大、現場測量成果不可視、自動化程度較低。本測試項目的地質結構復雜，測量面大、建筑結構密集、地面雜物堆積。為滿足山區空間測量要求，依據《城市測量規范》CJJ/T8—2011 的規定：地上應布設三級導線以上精度的平面控制點，同時應布設圖根導線或支導線。本項目由于地質復雜，測量難度大，部分轉點近且高差大，無法布設圖根或圖根支導線，所以常規測繪手段無法進行施測。

3 三維激光掃描技術的應用

3.1 前期測繪準備

測繪設備主要包括三維激光掃描儀RIEGL VZ-2000，該儀器能夠在陽光直射下掃描最遠距離為330m 的物體，每 1mm 的測距精度為 25 處；視場角為 360°×300°；1臺全站儀，6 個掃描參考標靶球，以及若干個標靶紙。將所使用的掃描儀的分辨率參數設置為1/4，質量參數為4 倍，對工程進行全景掃描并拍照，在測量任意一站時，測量時間均需控制在12min 左右，由于某些工程處于山谷中，因此，要將掃描工作分為3 段開展，掃描進行過程中，須同時借助全站儀對參考標靶坐標進行測量，并將其作為點云坐標和目標坐標系二者之間轉換的依據。對數據拼接進行掃描，完成各坐標的轉換以及點云過濾，將所測得數據完整導出，便于后續地形圖測繪、土方量計算等測量工作的有序實施。

3.2 外業數據收集工作環節

在三維激光掃描技術的應用過程中，外業數據采集工作階段收集的數據信息質量高低，直接關影響三維建模工作質量，人流量屬于形成影響點的重要因素之一。外業測量工作中，除了使用錯峰數據收集方法以外，其中還增加了彈性測量工作機制，在大量工作人員和車輛通過的條件下，通過人為性控制數據信息的采集，可以有效降低掃描儀和建筑物之間的間距，增加了測量點的數量。點云拼接屬于數據處理工作階段的一項重點和難點問題之一。在實際的測量工作中，需要有效保證前后側梁站之間存在30%的重疊度，保證不同測量點之間具有完整的測量平面，可以在相鄰到測量點位上設置中心點測量目標，作為后續拼接參數參考。掃描參數設置和點云質量設計之間存在密切關聯，激光點的頻率參數設置工作直接關系目標識別距離以及點云拼接之間的準確度。在測量工作當中，通過使用不同的激光測量點評率展開對比試驗和分析，確認點評率大小設置為100kHz，掃描分辨率的設計直接關系到掃描數據的總量和掃描時間長短。激光掃描的垂直分辨率大小設置為0.182°，水平方向上的分辨率設置為0.0035°。在地質數據掃描工作中，通過使用數碼相機設備同步展開拍照，繪制相應的草圖。每一站數據信息掃描工作完成后，需要對點云數據進行全面篩查，對其中存在的漏洞或造點過多的數據進行返工重新測量。

3.3 高精度點云數據獲取與處理

通過引入地質工程精度檢驗的實際案例。在進行數據采集環節中需要做到提前對地形進行勘探作業，在完成相應的地形勘探環節以后，再實行對應的三維激光掃描測繪方案的制定工作。根據現場現況實景來選擇符合使用標準的三維激光掃描儀器，對其檢測區用掃描儀全方位無死角的立體掃描，在進行掃描環節需要將掃描側站間距進行相應的控制且小于50m，同時對應的點云密度控制在3cm~6cm 之間，從而達到提高數據完整性以及準確性的目的，確保所采集到的數據信息具備全面性等。特殊掃描：對于特殊區域無法進行第一步掃描的，需要進行針對性的掃描，通常采取補充掃描的形式來開展相應的掃描工作。區域細分：所謂的區域細分，就是致力于高效管理點云合并錯誤。區域細分工作內容的注意事項，主要就是把控數據的有效性。通常情況下以5~30 個內測點進行相應的位置劃分，再完成對應的點云拼接、坐標轉換等。具體做法，不用對制圖接邊相關問題進行考量，因為監測對象是針對地形圖。轉換測塊點云后需要確保轉換后的實際坐標符合相應的精度要求。最后一步是采取對應的分析法，檢查點云的精度，剔除不合格數據，通過重新選擇和變換坐標來提高被測塊點云的精度。

3.4 地形圖測繪

首先，提取并繪制特征點，提取工作是將路面上存在的特殊物體進行提取，在該過程中，須應用到三維激光掃描技術自身具備的數據處理功能，以人工的方式提取山谷中較高部位的位置，如山壁中心或偏下方，緊接著在收集到的特征點上安裝相關的格式完成數據傳輸，這一環節的目的是將特征點體現在大比例尺數字測繪軟件中，通過對軟件所呈現的內容進行觀察與分析，實現對地物的測繪。其次，生成等高線，完成地物測繪工作時，受山谷中地物以及植被的影響，無法保證測繪結果的準確性，對此，在實際測繪工作開展前，須清除植被、地物的點云數據，開展清除工作時，盡可能做到人工與自動化相結合，以此進一步提高測量數據的精確度，同時，應用平均面迭代法完成數據的去除工作，主要操作流程如下：刪除路面上極為明顯的非地貌數據，對一些用肉眼無法觀察到的數據如小型石子，便須應用到平均面迭代法，計算所有數據的平均面，并刪除與該平面相距較遠的數據，但需注意的是，不對所有非地貌數據進行刪除，只有在對其進行5~6 次迭代后，才可以開展剩余數據刪除工作，以保證地貌數據獲取的精準性。但在實際測繪中，會存在點位分布不均且點位密度大的問題，嚴重影響了等高線的整體效果，對此，工程的測繪人員對點云數據進行處理，并采用自動抽稀的方式，使各測繪數據達到地形測繪的要求。緊接著再將相關數據傳輸至軟件中，實現等高線的自動生成。運用掃描技術得到的等高線可以更為直觀地將其中內容表現出來，還能夠大幅度提升數據等高線位置的精確度與可靠度，同時還能將地形的實際情況準確地反映出來。最后，編輯成圖，按照上述操作開展測繪工作時，獲得的等高線極易出現局部缺失、不光滑等問題，因此，該工程的測繪人員又進行了編輯成圖的處理，原理是疊加等高線測繪圖以及地物圖形，通過全面觀察得出二者存在的差異性與不足。

3.5 倒置掃描關鍵技術

通過對同一掃描對象進行比較試驗，采用正置掃描后采集的點云圖，掃描過程移站5 次。采用倒置掃描后采集到的點云圖，掃描過程中確定好三腳架倒置的位置，然后將中軸長度調整為1.2m，滿足入射角35 的要求。掃描獲取點云后，采用新方法進行點云噪點處理，最終得到處理好的點云圖。通過試驗比較發現，在點云采集階段，正置掃描需要移站5 次，需要尋找特征對象，耗時45min。倒置掃描僅需掃描1 站，用時4min。相比較可知，正置掃描工作量是倒置掃描的5 倍、耗時11 倍。在點云處理方面，正置掃描需要拼站且點云數據量龐大，通用軟件處理耗時約50min，對于噪點處理需要大量的人工處理且效果不理想，最終的點云圖與實際結構誤差大，而采用倒置掃描軟件技術，點云無需拼接，點云量小，處理速度快，自動高效去除噪點，最終的點云圖效果較好且與實際結構誤差小。采用倒置掃描技術處理后的點云效果較好，為后續計算奠定較好的基礎。通過研究三維激光倒置掃描硬件、軟件關鍵技術，較好實現了三維激光準確、快速倒置掃描，試驗表明采集點云數據質量較高，可自動高效去除噪點，極大地降低了現場工作強度，提高了工作效率，促進了三維激光掃描技術的推廣應用，為紅外技術在數據采集和降噪等方面提供借鑒，具有較好的技術價值和經濟意義。

3.6 三維模型建立

三維建模范圍為精細單體建模及地面模型，建模內容包括建筑模型、地形模型、交通模型、植被模型、水系模型及其他模型等。其中，地上建筑模型反映維度變化的0.3m的細節需精細表達。為便于后期對測區內模型精細管理，需將建筑模型分層、分戶制作，建筑內部走廊、墻體（除墻體外，不含室內其他設施）等進行制作，建筑物及附屬設施屬性信息需表達完整準確。

室外建模時，在3dsMax 中導入整理好的Dwg 文件、影像圖等，在CAD 和影像圖的基礎上創建建筑模型，其建筑模型位置與CAD 文件保持一致。對模型面數進行控制，能夠準確表達建筑物的特征即可，無須將所有細節建模，同時去除多余的面，模型建好后，應刪除多余的或沒用到的點、線、面，對模型結構與貼圖坐標起不到作用的面進行刪除以節省數據量。

室內建模時，首先紋理采集，通過現場對室內外環境拍照的方式，采集室內外環境的紋理照片，為后續室內外建模提供素材。室內建模：導入3dsMax 后，首先對墻體進行建模，然后運用畫樣條線和矩形等操作，采用擠出功能拉伸出合適的長度，進行墻體建模。一些沒有實測的內部細物，例如門窗、裝飾物等，根據所得尺寸和現場所拍照片進行建模，將建好的附件合并到主體建筑物的模型上。

紋理映射：對于建筑模型的紋理通常要到現場用數碼相機獲取照片，對照片進行正射糾正處理為正射影像，更改材質，將修改好的圖片貼到材質球上面并賦給建筑物，再運用貼圖坐標進行修改，盡量做到與實際相同的效果，最后渲染輸出效果圖。建筑物輪廓及室內墻體建模完成之后，將所有的墻體都移動至正確的位置，然后找到相應的材質附到建筑物主體模型上。并賦予相應的磚墻材質、玻璃材質等，再做相應調整，提高視覺效果，最后得到與實際建筑物一致的模型。紋理映射（貼圖），對于需要疊加在物體表面的，例如建筑立面的字或一些招牌廣告等，做成片疊加在物體表面，面片與該物體的立面距離至少要達到0.03m，保證重疊面不閃爍，同時在側面不能看到特別明顯的兩個面間的距離。

3.7 精確度測繪成果評定

①平面絕對位置平定：采用擬合提取相關特征點的方法，對數據進行分析比較，實現對礦井平面位置對應絕對精度的確定。在特定的操作過程中，需要對相應的點云進行進一步的切片，以確保點云有效，并且需要通過相位匹配來控制相應的切削刃厚度，通常在兩厘米以內符合相應的標準，最終獲得切片點云進行進鄰點云檢索，而對應近鄰點云檢索需要符合特定的地形特征，再通過相應的算法最終獲取近鄰域擬合地形的綜合特征點，再進行分析和計算，對數據進行篩選。將點云中提取到的特征點與地形圖測繪中的同名點區域做對比，把誤差差值降到最低，實現此項檢測精確度的有效工作。②平面相對位置精度評定：利用切片點云從而實現點云中相應的地物其對應的參數對比分析的工作，例如邊長對比、點間距對比結合實際地圖中的數據進行相應比較，然后通過實景與地圖數據的誤差進行計算分析，從而實現相應的位置精確度的檢測。

4 結束語

與傳統測量技術相比，三維激光掃描技術具有高分辨率、高精確度等測量優勢，能夠高效地完成地形圖繪制、土方量計算等測量項目，還可以借助三維軟件，針對待測量對象構建三維模型，實現了對傳統測量技術的有效補充，可以實現非接觸式測量，適用于復雜地形的高精度測量，從根本上提高了工程測量的效率和精度。同時，三維激光掃描技術也在其他很多領域有不同的應用，而且三維激光掃描技術也在不斷研發與創新中，必將獲得更為廣闊的應用前景。