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摘要：本文首先简单介绍了三维激光扫描技术与无人机的工作原理，其次就三维激光扫描与无人机结合在地形测绘中的应用进行了详细的探讨，包括数据的获取、点云数据配准、提取并且绘制地物、获取地貌数据、生成等高线和地形图编辑等，以期为相关工作人员提供一定的资料参考。
关键词：三维激光扫描；无人机；地形测绘；应用
引言
常规的测量方式由于设备水平以及工作经验的限制，往往只能针对一般的地区进行测绘，而在实际的自然环境中，更多的是复杂而又危险的自然地形，这样的地形测量由于危险程度高、测量难度大，无法进行人工接触测量测绘。为了解决这个难题，三维激光扫描技术应运而生，其可以针对复杂的地形进行不接触式的测量测绘，再结合无人机技术，可以对植被茂密的地方进行精确的测量，克服了传统测量方式扫描精度不高、测绘区域不全的问题。
1三维激光扫描以及无人机的工作原理
1.1三维激光扫描的基本原理
三维激光扫描测量系统由三维激光扫描测量仪集成内置数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成。其中地面三维激光扫描测量仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、由马达控制且可旋转的滤光镜、彩色CD相机、控制电路板、微电脑和软件等组成。激光脉冲通过周期性的驱动激光二极管发射激光脉冲，由接受镜接受目标后将信号反射，产生接收信号，再利用稳定的石英时钟计量发射和接受的时间差，最后由微电脑按照预定算法处理原始记录数据，计算出采样点的空间距离S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。
在测量过程中将测量仪器作为坐标原点，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向且与X轴垂直的扫描面内，Z轴在纵向扫描面内。那么采样点的坐标计算公式为：
2三维激光扫描与无人机结合在地形测绘中的应用
2.1外业数据采集
在进行外业数据采集工作前，要先对周围的环境进行细致的考察，明确扫描仪以及标靶所在的位置。如果测量区域地势条件极为恶劣或者植被密集，安排好无人机进行拍摄，从而保证扫描站最终获得的数据都是最佳的，且数据与被测量区域的实际情况相吻合；其次要尽量减少测站数量以及原始的数据量，针对特殊地形要进行拍照，减少地形弥补，降低图形编辑修改的难度，以便后期的数据处理工作开展顺利。当所有的测站都完成扫描后，开始对标靶进行扫描，使用精确扫描的方式来提升标靶的扫描质量。在扫描前，先要选择控制标靶区域内部点，并将这些标靶当中的点当成唯一的标识。再使用精细化的方式扫描，标靶中心位置用无反射全站仪进行测量。此外，标靶分布情况，应当根据测站坐标的配准精度情况来判定，尽量地减少狭长形状产生。
2.2点云数据配准
地面三维激光扫描仪每次扫描只能得到测区局部的数据，再利用无人机，便可得到较为详细的数据，但是为了保证数据的完整性，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。无人机测量过程中需要根据测区的实际情况设计飞行的高度以及航线，在测区范围内均匀布设控制标靶，测量控制标靶的坐标。地面扫描也需要布设控制标靶，无论是无人机航拍还是地面扫面，相邻的扫描点云图都要有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“配准”。
有两种常用的配准方式，一种为相对方式，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；另一种为绝对方式，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其他仪器精确测量，直接获得标靶的绝对坐标和工程坐标系中的坐标。配准时，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。在具体的地形测绘中，使用绝对方式配准的较多，也可以将两种方式结合起来使用。而范围较小的相邻站采用相对方式配准，当其达到一定范围后再采用绝对方式统一到绝对坐标系中。
2.3地物提取及绘制
地物特征点的提取是关键的一个部分。提取点云数据可以通过三维激光扫描技术后期处理软件，地物特征可以在点云视图中手动提取，之后在文本文件中输出相应的格式，，直接导入测绘图软件来绘制地物。
2.4等高线生成
为获得更加详细的地面信息，地面三维激光在扫描时的扫描密度一般都比较大，而对于地形测绘来说这样的密度过大，且分布不够均匀。直接利用扫描点来构三角网追踪等值线，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。
2.5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、不光滑等问题，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。
结语
综上所述，三维激光扫描技术与无人机结合在地形测绘中应用，可以弥补传统地形测绘工作的许多不足之处，它快速、细致和高精度的特点减少了测绘人员的作业时间和强度，使测绘效率大幅度提高。但是三维激光扫描技术也有外界环境条件、点云数据与目标物体反射面等不足之处，所以在使用过程中应尽可能克服上述不足之处，以便获取高精度的测绘成果。
参考文献：
[1]吴桥军，李永超.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘研究[J].资源信息与工程，2016，06：103-104.
[2]李谋思，孙雨，韦荣艺，何宝根.三维激光扫描与无人机结合在地形测绘中的应用[J].人民珠江，2017，05：23-26.
[3]刘春伟.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘研究[J].信息化建设，2015，11：392.
[4]刘伟.地面三维激光扫描工作原理及其在精细地形测绘中的应用[J].绿色环保建材，2016，09：102.
论文作者:张光辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/27
标签：激光论文; 无人机论文; 地形论文; 测量论文; 坐标论文; 数据论文; 方式论文; 《基层建设》2017年第21期论文;