地形測量中三維激光掃描技術的應用

摘要：隨著測繪技術的飛速發展，三維激光掃描等高科技手段不斷在施工測量中得到應用。文章介紹了三維激光掃描儀的原理、特點，并以北京市密云縣魯家溝鐵礦陡嶺子南溝礦區礦山地質環境治理項目為例，介紹了利用三維激光掃描技術進行土方測量的內外業工作流程，闡述了質量控制的關鍵環節和方法，通過對比，論證了三維激光掃描技術在效率和質量上獨特的技術優勢。

關鍵詞：地面三維激光掃描""土方測量""數據采集""點云""配準

中圖分類號：P623"""文獻標識碼：A

Application"of"3D"Laser"Scanning"Technology"in"Topographic"Survey

FENG"Guofei

（Beijing"Institute"of"Geology"for"Mineral"Resources，"Beijing，"101500"China）

Abstract："With"the"rapid"development"of"surveying"and"mapping"technology，"high-tech"means"such"as"3D"laser"scanning"are"constantly"applied"in"construction"surveying."This"paper"introduces"the"principlesnbsp;and"characteristics"of"the"3D"laser"scanner，"and"takes"the"project"of"mine’s"geological"environment"control"in"the"Doulingzi"Nangou"mining"area"of"Lujiagou"Iron"Mine，"Miyun"County，"Beijing"as"an"example"to"introduce"the"internal"and"external"work"process"of"earthwork"measurement"by"using"3D"laser"scanning"technology，"expound"the"key"links"and"methods"of"quality"control，"and"demonstrate"the"unique"technical"advantages"of"3D"laser"scanning"technology"in"efficiency"and"quality"through"comparison.

Key"Words："Terrestrial"3D"laser"scanning;"Earthwork"survey;"Data"acquisition;"Point"cloud;"Registration

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，也能大幅度提升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。

文章基于三維激光掃描技術方式，使用非接觸方法對測量地形實施掃描，迅速采集大量三維資料與參數，該技術能夠大大減少人工成本，優化作業效率，并且能夠確保收集圖像的真實性，在大面積土地測量項目中值得被借鑒。

1"三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描設備的構造復雜，涵蓋相機設備、地面掃描儀器、數據分析系統以及相關輔助裝置。當下，伴隨著科學技術的飛速進展，測量工作中會應用大量的高新技術與新型設備，三維激光掃描設備的類型也愈發繁多，詳細地講，依據掃描對象的不同，可被分為機載式掃描設備、土地測量掃描設備、便攜式掃描設備等等，依據掃描距離的長短，又能被分為短距離掃描設備、中距離掃描設備以及長距離掃描設備，還有航空專用掃描設備等。設備的基本原理如圖1所示，采用設備內部的激光發射裝置，對被測量對象投射脈沖激光，實施反復掃描，然后可獲取被測量對象至掃描中心的間距，再結合掃描模塊的分析，從不同的方位掃描測量的對象，獲取測量對象的空間坐標參數[1]。

2"數據采集的主要外業工作及流程

2.1"現場踏勘與站點選取

現場勘察是為了更加精確地掌握被掃描的范圍實際地勢狀況，這樣能夠更加合理地布置掃描測量點。測量點的布設需要考慮到掃描角度、精度等條件。盡量選取在通視環境寬闊的地方，最大程度地擴大掃描區域，防止出現測量的盲點。另外，測量點的布設還需要結合掃描設備的可測距離，緊鄰的測量點所掃描的目標不會發生重疊或者漏掃的問題[2]。

2.2"控制點布設

首先，選用“測量點與后視點”的參數收集方式時，其控制點和測量點需要重疊。其次，選用其他參數收集方式時，其控制點的布設需要超過3個，并均勻布設于全部測量區域，但需要注意不能布設太多，確保掃描精度合理即可，過多的控制點會增加內業工作量。最后，控制點周圍的地勢不能起伏過大，可以方便安裝全站儀、水準儀等設備[3]。

2.3"站點數據采集

在站點部位安裝掃描設備，調節好設備的分辨率，在實施站點的云數據調配時，需要采用確保使用的標靶分辨率高，這樣能夠保障標靶中心部位的坐標更加精確。標靶需要布設于鄰近站點測量的重疊范圍，不能在一條直線上，數量需要大于3個。掃描測量環節中，需禁止人員來回走動，降低異常點的出現概率，遷站之前，需要核實測量的參數，避免出現遺漏。

3"數據處理

3.1"噪聲去除

噪聲的源頭有許多，除了與數據信息有關的外界聲音都需要去除，如鄰近建筑設備的運行聲音、車輛啟停聲音等。

3.2"標靶中心坐標提取

靶標的中心坐標參數，是每個站點與云數據銜接調配的關鍵依據，和最終的測量精度有著密切的關聯。獲取中心部位的坐標數據，一般都是采用設備中系統自帶的靶標分辨功能自動識別。

3.3"多站點云數據配準

三維激光所獲取的云數據信息，是在測量點的坐標系中的，并且，每個站點的坐標系都是不一樣的。為采集測量范圍內的全部數據，需將靶標的中心設置為公共控制區，銜接每個站點的數據信息，把全部站點的云數據整合至共同的坐標系中[4]。

3.4"點云數據簡化

三維激光掃描設備在一秒鐘能夠獲取數萬點坐標數據信息，在大量數據的輸出下，后續的內業分析環節需要配置性能更高的計算機系統，并且，土地測量工作中不需要使用太過密集的云數據，所以，應該結合云數據的分布狀況適當的簡化數據。

4"成果檢查驗收

掃描測量的數據，通過坐標的更改，獲取到絕對定向之后，需要通過相關核驗，確保其準確性，事先在測量區域中間與四周均勻設置好核驗點，使用一般的測量技術，采集三維坐標參數，然后自模型內獲取測量點的坐標參數，和采集到的參數進行對比，實現核驗精度的目的。

5"工程實例

5.1"任務簡介

北京市房山區金子溝石料開采廠位于北京市房山區周口店鎮黃院村金子溝，開采礦種為水泥用石灰巖。交通較為便利。受北京市房山區金子溝石料開采廠（甲方）委托，筆者所在團隊負責該礦區測量工作。

5.2"方案策劃

假如使用極坐標方式，結合碎步點的距離標準，不能超過計算范圍的網格距離。同時，由于地形起伏不定，需要加設更多的點，那么全部測量范圍中需要布設40"00點以上，如果忽視測量需要的時間，每個工作日收集400～500點，那么僅碎步的測量就需要大于7"d的時間，從工程進度層面分析，難以符合甲方的要求。所以本項目使用三維激光掃描的方式。

5.3"外業實施

為優化作業效率，工程的測量團隊分為兩組，由第一組實施三維激光掃描，布設36個站點，采用RieglVZ400儀器，對測量范圍內實施掃描。各站點停留掃描10"min，保障測量作業不出現遺漏問題[5]。

由第二組管控檢查點與控制點的排布與測量。如圖2所示，在測量區域中，均勻設置16個控制點位（K1～K16），測量區域的南邊與西邊設置10個檢查點位（J1～J10）。

在信號接收良好的測區，利用GPS控制點，用實時動態載波相位差分技術RTK（Real-time"kinematic，RTK），進行地形圖測量。測區存在極個別信號覆蓋不到的地區，用RTK測量方法，把導線點引至該地區外圍，然后用全站儀進行測量。

RTK是世界上最先進的測量設備之一，目前被廣泛應用于工程測量、地籍測量及板塊位移等領域。它由基站及移動站兩部分組成。基站用于接收太空中伺服的GPS衛星差分的信號信息。移動站司職接收基站中繼的差分信息。施工中我方首先將RTK基站架設于東側某較為平坦的山頂上，地面做標記，搜索太空衛星、連接手簿、改正數據坐標系統與高程系統。這樣就可以數據采集作業了[6]。

5.4"內業處理

RiSCANPRO在實施RIEGLVZ-1000的數據分析環節，其數據的顯示方式有很多種，例如二維形式、三維形式、360°全景形式等。應根據項目的實際要求，應用與之匹配的顯示形式。針對特殊部位，如溝壑、河道、學校建筑、醫院建筑等，能夠使用不同樣式的符號對其標記，標記好之后進行場景導出，導出格式一般都是DXF，然后參考補充測量的相關參數，便可以為地形圖的繪制提供更加精確的數據資料。

為確保項目三維激光掃描設備的測量完整，還需將每一個測站點所采集的參數拼接處理完善，項目中選用迭代最近點計算方式，進行數據銜接，可以整合出銜接和諧的起伏畫面，然后通過RiSCANPRO進行細致處理。便可以將全部測量范圍的數據銜接完成，得到最后的地形測量圖（如圖3所示）。

從RiSCANPRO軟件中，將DXF文件提取出來，結合南方CASS軟件對其深化處理，輸入需補充標記的參數信息。然后依據掃描區域的實際測量需求，以及項目的設計標準做出更加細致的標注，構建三角網，繪制等高線，便可以生成地形掃描圖，導出為DWG文件。為后續項目建設提供參考[7]。

5.5"三維激光掃描技術的精度分析

項目的地形測量范圍內，為確保地形圖能夠更加精確，選取5個監測點，使用RTK技術與三維激光掃描的結果對比分析，對比結果如表1。

當監測點的數值小于20，用誤差的計算平均值取代誤差，大于20后，直接用誤差值統計，本項目測量范圍的地形比例標準為：1∶2"000，結合平面誤差標準值不大于±1.6"m，高程誤差標準值不大于±0.67%，結合表1數據分析，本項目地形圖的精準度滿足標準需求，證明三維激光掃描設備在地形測量項目中的使用效果很好，精度可靠，值得被大范圍應用[8]。

6"結語

綜上所述，地形測量是目前項目建設實施中的關鍵一步、我國幅員遼闊，地勢多變，地形起伏趨勢很大，伴隨著建筑行業的不斷進展，高層建筑也在逐年增多。基于這些原因，地形測量工作的難度也越來越大，應用三維激光掃描技術，能夠在盡量短的時間中獲取海量的三維空間參數，并且該技術操作便捷、可靠性高、具備實時性與智能性的優勢，在地形測量項目中值得被廣泛應用。

參考文獻

[1] 李引生，荊海峰.三維激光掃描技術在濕地地形圖測繪中的應用[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：193-195，198.

[2] 王昌銳.三維激光掃描技術在礦山大比例尺地形圖測繪中的應用[J].工程技術研究，2020，5（11）：129-130.

[3] 崔紅超，賀小星，劉仁釗，等.Cyclone在數字校園三維激光點云數據預處理中的應用[J].北京測繪，2020，34（3）：343-346.

[4] 曹小朋，張勤.基于機載激光LiDAR技術的線狀工程測量[J].地礦測繪，2021，4（4）：78-80.

[5] 藺小虎.激光點云數據壓縮及曲面建模研究[D].西安：西安科技大學，2017.

[6] 楊林.三維激光掃描技術在建筑工程施工變形監測中的應用研究[D].天津：天津大學，2018.

[7] CHOU"H"T，LEE"C"F，LO"C"M.The"Formation"and"Evolution"of"a"Coastal"Alluvial"Fan"in"Eastern"Taiwan"Caused"by"Rainfall-induced"Landslides[J].Landslides，2018，14（1）：1-14.

[8] 叢佳男，孫彤彤.大斷面點云數據提取的優化方法研究[J].測繪與空間地理信息，2017（10）：149-153.