【关键词】：三维激光扫描技术；点云数据；地形测绘
1、引言
三维激光扫描测量技术是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术突破，它使测绘数据的获取与处理方法、测绘行业的服务水平等进入了新的发展阶段。地面三维激光扫描技术是基于地面固定站的一种通过发射激光获取被测物体表面三维坐标、反射光强度等多种信息的非接触式主动测量技术。其具有数据获取速度快，实时性强，数据密度大，数据精度高，安全性高等特点，这使得三维激光测量系统在很多工程应用中，具有常规测量技术所不具备的巨大优势。基于三维激光扫描的地形测绘成图技术的应用，改变了传统测绘的作业流程，使相关外业测绘流程大大简化，外业工作时间大大缩短，外业人员的劳动强度大大降低，内业处理的自动化程度也显著提高。目前，它主要应用于三维立体建模、变形监测、地形测绘、虚拟现实等方面。
2、三维激光扫描系统组成及工作原理
三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、软件控制平台、数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取设备系统。
三维激光扫描系统的工作原理: 首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息 经过软件处理实现实体建模输出。其工作基本原理如
图1所示：
图2 地面三维激光扫描地形测绘的作业流程
1、外业数据采集
首先对测区地理环境进行详细踏勘 ,确定扫描仪和标靶的位置。一要保证各扫描站最终获取的数据能代表完整的测量区域； 二要选择尽量少的测站 , 以减少原始数据量。扫描同时还必须对测区的地物及特殊地形拍照， 以便于后期的数据处理、地形图的编辑修改。数据采集流程包括：控制测量、扫描站布测、标靶布测、设站扫描、纹理图像采集、外业数据检查、数据导出备份。
2、点云数据的拼接
地面三维激光扫描仪每次扫描只能得到测区局部的数据，为了得到测区完整的三维地形数据， 往往需要从不同的位置进行多次扫描 ,每次扫描得到的数据都处在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。因此 ,需要在扫描区域中设置一些控制标,从而使得相邻的扫描点云图有 3 个或 3 个以上的同名控制标靶 ,通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下 , 这一步叫点云数据的“拼接 ”。拼接的基本方式有两种: ①相对方式 ,该方式以某一扫描站的坐标系为基准，其他各站的坐标系统都转换到该站的坐标系统下,相对方式扫描时只需要在不同站之间共有 3个以上同名标靶即可实现坐标统一 ,它不需要测量标靶的绝对坐标 , 其统一后的坐标是在某一扫描站坐标系统下的坐标 ,但如果连续传递的站数较多 ,则容易产生较大的传递误差。②绝对方式 ,它是一种将扫描仪和常规测量相
结合的方式 ,其每站的标靶坐标是通过全站仪或GPS-RTK仪器精确测量 , 直接获得标靶的绝对坐标 (如某工程要求的坐标系的坐标 ) 。拼接时各测站都直接转换到统一的绝对坐标系中。这种方式不存在多站坐标转换的传递误差 ,其整体精度均匀。在较大面积的地形测绘当中一般建议采用绝对方式配准。
3、地物的提取与绘制
地物特征点的提取是在拼接好的点云数据中进行手工提取，如房屋角点、电线杆中心点等。可以利用地面三维激光扫描的后处理软件来提取，如Leica 的 Cyclone软件 ,可以在点云视图中手工提取地物特征点 , 并以一定的格式输出到文本文件中。如:“Point Number, Feature Code, E, N , H ”格式的文件 ,可直接导入到大比例尺数字测图软件 (如CASS)中绘制地物。
4、地貌数据获取
由于三维激光扫描技术是对整个测区空间信息的扫描 ,包含了地表的所有信息。地形表面的树木植被及架空的电力线、车辆、房屋等地物的存在会影响等高线的自动生成 ,所以在生成等高线前需要将非地貌部分的点云数据剔除 ,此部分目前还没有相应的软件能实现自动化的剔除。可采用 Trimble 的 RealWorks Survey软件或Leica的 Cyclone软件人工剔除非地貌点云数据。
5、等高线生成
地面三维激光扫描时为获得详细的地面信息一般扫描密度较大，相对地形测绘来讲其点位太密,且分布不均匀。直接利用扫描点来构建三角网追踪等高线 ,由于其细节信息过多 , 会导致等高线紊乱。因此，一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行一定数量的抽稀。最后将数据导入到大比例尺数字测图软件中 ,自动生成等高线。
6、地形图编辑
将地物图形与等高线图形进行叠加和编辑 ,同时由于切除了地物部分的数据造成生成的等高线局部缺失、扭曲、不光滑等 ,这时需要对照照片及点云数据，手动进行修改。最后加上高程注记,生成图廓 ,进行局部的整饰。
4、应用案例
乌鲁木齐县水西沟镇位于乌鲁木齐市南郊，地处天山北麓，南部为山地丘陵区，北部为山前冲击平原。镇规划区北部及西部约10km2为山前冲击平原，河道与河岸比高较大，河道内砂场较多，地形破碎，部分山梁坡度较大，区域内植被覆盖多为带刺的灌木，车辆和人员通行受阻。因项目工期较紧，采用传统测绘方法无法保证工期，项目部计划采用徕卡HDS8800三维激光扫描仪进行该区域的外业地形数据采集工作，并辅以海星达i-RTK2双频接收机进行测站坐标的定位，按照1:1000的比例尺进行地形成图，为乌鲁木齐县水西沟镇规划区建设规划、设计、施工服务。该区域数据采集工作：投入3名技术人员，1台徕卡HDS8800三维激光扫描仪，1台GPS接收机（利用URCORS），用时3天，将数据采集完毕，后投入1名技术人员进行点云数据处理、内业成图，2名技术人员进行部分现状地物及零星地物的补测、高程检查点的采集，加上前期数据采集工作共计6天时间完成10km2的1：1000地形测绘任务，较传统测量手段效率提高了2倍。经外业打点验证，点云数据的平面点位误差和高程误差均能满足1：1000成图精度要求。经抽稀后的点云数据建立三角网生成等高线图与内业编辑整饰后的地形图如图3、4所示。
5、结束语
三维激光扫描系统具有快速、细致和高精度的特点，将其应用在地形测绘领域，可以减轻人员作业强度，减少作业时间，提高测绘效率，并能够获得满意的测绘结果。实践表明，利用激光三维扫描技术获取的空间点云数据，可以高效地完成大比例尺地形图测绘。当然，三维激光扫描技术应用于地形测绘还处于初步应用阶段 ,它还有很多问题需要解决:
1）三维激光扫描系统的地形测绘成图质量仍受到多种外在因素的影响，如测站定位精度、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件等。因此在使用过程中应尽量消除这些外在因素对扫描质量的影响，从而获得更高质量的测绘成果图。
2)目前还没有一套完整成熟的基于点云数据的地形图测绘软件,在成图的过程中需要交互使用到多种不同的软件。虽然 Leica 已推出了基于点云数据的地形测绘软件 Cyclone II TOPO ,但其目前还只是一个地形特征点提取的辅助工具 ,还不能胜任快速、复杂的地形测绘任务。
3)如何自动化或半自动化剔除点云数据中的非地貌数据,是等高线生成中急需解决的问题。
4)当地形高低起伏遮挡情况比较严重时,容易出现数据黑洞,形成局部数据缺失。除了多设测站争取保证测区数据完整外,也可研究将近景摄影测量与地面激光扫描相结合的方法 ,来解决局部扫描数据空洞的问题。
参考文献
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论文作者:张文德
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
标签：激光论文; 数据论文; 地形论文; 地物论文; 等高线论文; 坐标论文; 测量论文; 《科技中国》2018年4期论文;