關(guān)于地形測量中三維激光掃描儀的應(yīng)用探討

深圳市長勘勘察設(shè)計有限公司

摘要：三維激光掃描測量技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)測繪技術(shù)的缺陷，與傳統(tǒng)的地形測量相比，具有效率高、表現(xiàn)力強、測量細(xì)節(jié)豐富的特點。地形、地貌一次測量完成，并同時獲得影像模型，這一創(chuàng)新具有跨時代的意義。本文就地形測量中三維激光掃描儀的應(yīng)用進行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；地形測量

前言

常用的地形圖測量方法有全站儀數(shù)字化測圖，GPS—RTK測圖等方法。但這些方法外業(yè)工作量大，且在地形險峻，人難以到達的地方往往顯得無能為力。從三維激光掃描儀的測量原理和掃描過程可知，三維激光掃描以格網(wǎng)掃描方式，高精度、高密度、高速度和免棱鏡地測量地表點，能詳細(xì)了解地面的細(xì)節(jié)變形和整體變化，同時三維激光掃描技術(shù)制作的地形圖精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且可大大縮短外業(yè)工作時間，將大部分時間轉(zhuǎn)為在軟件中對掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理?；谌S激光掃描的地形測繪成圖技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)流程，使相關(guān)外業(yè)測繪流程大大簡化，外業(yè)工作時間大大縮短，外業(yè)人員的勞動強度大大降低，內(nèi)業(yè)處理的自動化程度也顯著提高。因此將三維激光掃描技術(shù)引入到地形測量中是具有重要意義的。

文中主要介紹了三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用。首先對實驗采用的儀器、測區(qū)概況、控制網(wǎng)布設(shè)及掃描儀掃描方法做了簡要的介紹。然后介紹了將基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基于施工獨立坐標(biāo)系統(tǒng)的過程，探討了將平面坐標(biāo)和高程分開轉(zhuǎn)換的方法，將轉(zhuǎn)換后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic中進行重采用，同時進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，方便cass繪制等高線。通過全站儀測量一定數(shù)量檢核點來驗證三維激光掃描儀精度。

1 數(shù)據(jù)采集

本次實驗使用徠卡ScanStation2三維激光掃描儀掃描地形，使用尼康DTM—3320全站儀布設(shè)控制網(wǎng)，其測角精度為3\"，測距精度為±13mm+2PPm。掃描區(qū)域的地形起伏較小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，人流量相對較小，地形表面的雜草和植被較少。

1.1控制網(wǎng)布設(shè)

在測區(qū)內(nèi)布設(shè)獨立工程控制網(wǎng)，K4點為已知點，平面坐標(biāo)值設(shè)為1000，1000m，高程值為500m.在測區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點如圖1，通過全站儀測角、測邊，求得控制點的坐標(biāo)，使用全站儀三角高程測量獲取控制點高程。

圖1 控制點空間分布圖

1.2 測區(qū)三維掃描

將掃描儀安置在控制點K1上，在測區(qū)合適位置安置3個不在同一直線上的藍(lán)白標(biāo)靶，將其中一個藍(lán)白標(biāo)靶安置在控制點k5上。連接掃描儀和電源，打開電源開關(guān)讓儀器進行自檢；設(shè)置筆記本與掃描儀之間的通訊，啟動配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫與工程文件，連接掃描儀并通過設(shè)置角度范圍對掃描區(qū)域進行拍照。設(shè)置好參數(shù)后進行掃描，找到控制點上標(biāo)靶大致位置，對標(biāo)靶進行精細(xì)掃描。然后將掃描儀架設(shè)到k3上，采用相同方法依次掃描。依次進行，直到所有掃描完成。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)拼接

點云拼接是多個測站點云數(shù)據(jù)的整合，是基于掃描儀不同坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的過程。點云拼接方法有：基于連接點的拼接；基于標(biāo)靶的拼接；基于控制點的拼接。本實驗采用基于公共標(biāo)靶的拼接，拼接后點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 測區(qū)點云拼接后數(shù)據(jù)

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括：點云去噪和平滑，點云抽稀壓縮，點云空洞修補等。這些過程都可以通過Cyclone和Geomagic軟件完成。

3 地形圖繪制

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于獲取的點云數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)和高程是基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的，而地形圖采用的則是獨立工程測量坐標(biāo)系，因此在用點云數(shù)據(jù)繪制地形圖前需要進行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。將基于三維掃描儀點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到獨立工程測量坐標(biāo)系中。

3.1.1 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

建立基于掃描儀平面坐標(biāo)系O—X1Y1，基于工程測量坐標(biāo)系O—X2Y2，，兩個坐標(biāo)系關(guān)系如圖3所示。采用四參數(shù)模型進行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括平移參數(shù)：X0，Y0，旋轉(zhuǎn)參數(shù)：a，尺度變化：。

圖3 基于掃描儀平面坐標(biāo)與施工獨立平面坐標(biāo)關(guān)系

對于任意一點Pi在兩個坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別為（X1，Y1），（X2，Y2），存在如下關(guān)系

， （1）

其中

為求出式1中平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變化參數(shù)，至少需要2個已知平面點，，如多于兩個可采用最小二乘法擬合求解。文中已知K3，K4，K5等3點在兩坐標(biāo)系中坐標(biāo)，見表1。

表1 已知點在不同坐標(biāo)系平面坐標(biāo)值

控制點 施工坐標(biāo)/m三維掃描儀/m

K5

x1065.116-38.897

y1009.813-6.832

K3x946.025-140.909

y994.352-70.008

K4

x1000-94.118

y1000-42.634

采用最小二乘法，通過已知點平面坐標(biāo)值求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將點云基于掃