地形測量中三維激光掃描技術的應用

劉陽 王鵬飛

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3457

摘??要：地形測量難度比較大，涉及很多方面的內容，任何一個細節控制不當，都會影響地形測量的準確性。傳統測技術存在很多的局限性，且干擾因素比較多，難以為城市規劃設計和工程建設提供真實有效的數據地形數據支持。三維激光掃描技術的發明和有效解決了這一問題，既能全方位獲得地形數據，也大幅度減輕了地形測量人員的工作效率，契合現代化地形測量的要求，值得大范圍推廣應用。

關鍵詞：地形測量 ?三維激光掃描技術 ?數據采集 ?特征提取 ?精度分析

中圖分類號：P225.2;TU198???文獻標識碼：A ??文章編號：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Application of Three-dimensional Laser Acanning Technology in Topographic Survey

LIU Yang WANG Pengfei

（Hebei Baoding Hebei Jiuhua Exploration and Mapping Co.， Ltd.， Baoding， Hebei Province，?071000?China）

Abstract： Terrain survey is difficult， involving many aspects of content， any of the details of improper control， will affect the accuracy of terrain survey. Traditional surveying technology has many limitations， and the interference factors are more difficult for urban planning and design and engineering construction to provide real and effective data topographic data support. The invention of three-dimensional laser scanning technology solves this problem effectively， not only can obtain the terrain data in all directions， but also greatly reduces the working efficiency of the terrain surveyors， which meets the requirements of modern terrain surveying， it is worth popularizing and applying in a large scale.

Key Words： Terrain measurement; Three-dimensional Laser scanning technology; Data acquisition; Feature extraction; Precision analysis

1三維激光掃描系統的結構組成和工作原理

三維激光掃描系統組成構建多，結構復雜，由數碼相機、帶能源系統、地面三維激光掃描儀、數據處理軟件以及其他附屬設備等共同組成。隨著科學技術的發展，很多高新技術和設備被廣泛應用到測量系統中，三維激光掃描儀的種類也越來越多，具體而言，按照掃描平臺的不同，可細分為機載激光掃描儀、地面激光掃描儀、便攜式激光掃描儀等。按照掃描距離的不同，又可細分為短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長距離激光掃描儀以及航空激光掃描儀。

三維激光掃描的工作原理是利用三維激光掃描儀內部的激光脈沖發射器向被測目標發射激光脈沖，進行循環掃描，從而得到被測目標到掃描中心的距離，再通過掃描模塊的控制，以不同的角度來掃描被測目標，得到被測目標的三維空間坐標數據。

2 三維激光掃描技術在地形測量中的應用要點

2.1案例分析

某地形測量項目，總測量項目面積為16.58 km，在測區范圍內，地形地貌起伏比較大，植被茂盛，高樓聳立，最開始決定采用航空攝影方法來進行測量，但由于工期比較近，在作業期間內始終不具備良好氣象飛行條件，為避免延誤工期，擦去了三維激光掃描技術，測量比例尺為1∶2 000，基本等高距為2.0 m，取得了良好效果，值得類似地形測量中大力推廣應用。

2.2保證外業操作質量

在該次地形測量中為降低外業操作的質量，減輕外業測量人員的工作量，采用1臺RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進行外業掃描作業，此種三維激光掃描儀的最遠掃描距離為1 400 m，在水平掃描是可進行360°無死角掃描，在垂直掃描時掃描范圍也可以達到100°，擁有獨特的全波形回波技術和實時數據數字化處理技術，可對被測目標的所有細節信息進行全面掃描，即便是陰雨天、地形地貌復雜的區域，也可以順利完成掃描任務。數據處理軟件采取了RisSCANPRO軟件聯合南方CASS9.1成圖系統同時進行數據處理，大大提升了數據處理速度和準確性。三維激光掃描儀在進行外業掃描中，可看成是一個具有自動觀測功能的無棱鏡全站儀，在地形測量中可達到“所見即所得”的測量效果。

2.3加強對掃描過程的控制

在該次地形測量中，為獲得更加全面的地形數據，在選擇三維激光掃描儀架設位置時，要嚴格遵循“方便保存、方便使用”的原則， 并且要為其他輔助測量手段的開展提供良好的條件，并且周圍的視線要盡量開闊，加強現場勘查，選擇合適的三維激光掃描儀架設點位，該次地形測量范圍比較大，為獲得準確的地形數據，三維激光掃描儀架設點位不能少于8個。確定好架設點位后，將三維激光掃描儀運輸到架設點位進行架設，對中整平，RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀得到的空間點云數據，是一種以激光發射器為中心得到的自定義空間極坐標系，為提升的測量的準確，保證點云數據能夠真實反映實際地形的空間位置，要通過操作手薄將測站坐標和后視點坐標輸入系統中，再通過RiSCANPRO軟件得到平移參數和旋轉參數，得到空間極坐標的“X、Y、Z”坐標數據，通過瞄準后視標靶進行精確定位，然后就可以進行數據預獲取，檢查后視點坐標和已知坐標的誤差是否在允許范圍內，如果在允許范圍內，才能掃描測量，如果誤差過大要及時調整。該次地形測量區域地形地貌起伏變化較大，僅憑RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀難以獲得溝谷、橋梁、道路等完整的測區數據，這要求掃描人員在具體掃描，要做好局部精確掃描，并和現場測量人員相互配合，通過標靶對特殊地形區域進行定點補充測量。當一個測站測量完成之后，及時轉移到下一個測站按照上述步驟進行測量，完成8個測站全部掃描作業之后，就能得到完整的地形數據，兩兩相鄰的測站，在掃描時重復掃描的范圍要控制在30%左右。掃描到的數據，及使用GPS-RTK對一些特殊、重要的點位進行測量記錄，作為RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀點云數據精確度驗證的參考數據。

2.4數據處理

該測區測量中，采取了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，其理論掃描速度為12 000點/秒，因此，會得到大量數據，大大增加了內業工作量，對數據處理軟件和硬件的配置，以及數據處理人員的綜合技術水平都有很高的要求。為減輕數據處理工作量，提升數據處理的準確性和速度，可從以下幾個方面同時入手。

2.4.1 做好數據預處理

外業掃描得到的數據先傳輸到RiSCANPRO軟件中進行預處理，現場錄入的測站信息、后視坐標數據等進行復核，并將GPS-RTK實測的特征點導入RiSCANPRO軟件中進行對比分析，以保證點云數據匹配的準確性。在具體測量中，不可避免地會受到周圍環境變化以及設備自身穩定性的影響，掃描數據中通常含有很多噪點，常見的噪點有裸巖表面點、流動物體點等， 這就需要通過孤點過濾或者是拓撲過濾的方法來去除噪點，以提升數據的使用質量。

2.4.2掃描數據

RiSCANPRO軟件在進行RIEGL VZ-1000三維激光掃描數據處理中，掃描數據有多種顯示模式，包括二位模式、三維模式、全景視圖模式等。需要結合實際需求選擇顯示模式，三維模式就能清楚看到地形和地物的形狀，對特殊位置，如溝壑、河流、道路、車站、學校、醫院等，可用不同的符號或者是點和線進行標記，標記清楚后即可導出，導出的格式通常為DXF格式，再結合補充測量的特征數據，就能為地形圖的編輯提供數據支持和基礎準備。

2.4.3 數據拼接

為保證RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀測量結果的完善性，需要對各個測站得到是掃描數據進行拼接處理，在該次地形測量中，采取了迭代最近點算法拼接方法，能夠擬合出相互匹配的起伏曲面，再通過RiSCANPRO軟件的補充完善，就能完成各個測區掃描數據的拼接任務。

2.4.4數據過濾

采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀得到的點云數據密度非常大，有的點云數據是有用的、有價值的，有的則是毫無價值的，為減輕后期計算工作量，剔除無價值的數據，就需要做好數據過濾工作。主要方法為：按照地形測區的實際情況，采用曲率采樣的方法對得到的點云數據進行過濾，在曲率比較大的區域，盡量保留多個點云數據，以便通過點云數據能夠真實反映出曲面的特征。而那些比較平緩的區域，則可以盡量多地去除點云數據。在滿足地形測量精度的基礎上，控制點云數據在78 300個左右即可。

2.4.5 生成地形圖

RiSCANPRO軟件中導出的DXF格式文件，通過南方CASS軟件打開，導入補充測量調整數據和其他標記信息， 再按照測區地形測量的實際需求和相應的技術標準進行編輯，建立起三角網，并繪制等高線，就能生成地形圖成果，保存為DWG格式，以便相關單位正常使用。

3三維激光掃描技術的精度分析

三維激光掃描技術屬于一種全新的測量技術，對該技術應用的精度評定和制度還不夠全面，在案例測區地形測量中，為能夠真實直觀地反映出生成地形圖精度，選擇5個測點，用GPS-RTK技術實測來和三維激光掃描技術測量的結果進行對比，從而達到嚴重三維激光掃描技術應用精度的目的，主要的地形圖精度統計表如表1所示。

當監測點數量低于20時，以誤差的算術平均值代替中誤差，超過20時，按照中誤差進行統計。該測區地形圖的要求比例尺為1∶2 000，要求地物點平面位置中誤差不超過±1.6 m，高程注記點高程中誤差不超過±0.67%，從表1中可知，地形圖成圖的精度滿足限差要求。表明三維激光掃描儀在地形測量中的應用效果比較好，精度高，值得大范圍推廣。

4提升三維激光掃描技術應用效果的方法

在地形測量中應用三維激光掃描技術時，為提升精度和效率，可采取以下方法：

（1）三維激光掃描技術在應用中會受到設備自身測距、測角精度的限制，要隨著掃描距離的增加，被測目標的精度也會降低。此時就需要按照不同比例尺的要求，合理調整掃描范圍，調整三維激光掃描儀架設的點位。

（2）影響三維激光掃描技術應用精度的因素主要有兩個方面，一是對標靶的掃描精度，二是標靶后視點的地面實測精度。所以，在具體應用中，要不斷提高標靶坐標精度，同時合理確定標靶目標的大小。

（3）在進行數據處理中，相鄰兩個測站之間的掃描范圍需要嚴格控制重合范圍，控制在30%左右效果最佳，過大則增加外業作業量，過小無法保證測量精度。

5結語

綜上所述，地形測量是區域社會經濟發展的重中之重，我國不同區域地形地貌起伏變化較大，高樓大廈比較多，大大提升了地形測量的難度。采用三維激光掃描技術，可在短時間內就獲得大量真實的三維空間數據，具有掃描速度快、實時性強、主動信號、數字化程度高等優勢，值得在地形測量中大力推廣應用。

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作者簡介：劉陽（1987—），男，本科，工程師，研究方向為測繪地理信息方向。

王鵬飛（1987—），男，本科，工程師，研究方向為測繪地理信息方向。