基于地面三維激光掃描儀的丘陵地區(qū)地形快速測量*

李婷峰，楊潤萍

(湖北交通職業(yè)技術學院，湖北武漢 430079)

0 引言

最近幾年，三維地面激光掃描技術不斷發(fā)展并日漸成熟，已經成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測［1］、工業(yè)領域大型設備形變測量［2］、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建［3］等領域中得到廣泛應用。地面三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數據。

本文介紹了地面三維激光掃描儀的工作原理，并詳細地闡述了Riegl VZ－400三維激光掃描儀實現桔園地形測繪成圖的過程和效果。實踐結果表明，在樹木稀少的丘陵地區(qū)，利用地面三維激光掃描儀可以快速獲取數據、生產數字地形圖。作為一種新型的數據獲取手段，地面三維激光掃描儀還存在著不足。最后結合本次地形測繪工程中遇到的問題進行了討論，說明其應用的不足之處以利于該技術的進一步研究。

1 地面三維激光掃描儀的工作原理

地面三維激光掃描儀是以反射鏡進行垂直方向掃描，以計步馬達轉動儀器來完成水平方向360°掃描，從而獲取三維點云數據。具體如下:首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號，經過旋轉棱鏡，射向目標P，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號，并由記錄器記錄，這樣可以計算目標點P與掃描儀距離S。精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β(見圖1)。地面三維激光掃描測量一般使用儀器內部坐標系統(即以儀器為坐標原點)，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由此可計算采樣點坐標，公式［4－5］為:

圖1 掃描儀三維坐標計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of scanner's 3D coordinates calculation

掃描儀上方的數碼相機主要用于獲取目標物的紋理信息和邊緣信息，可以為后期數據處理提供參照。

2 應用實例

此項目主要使用Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀對南漳縣峽口鎮(zhèn)桔園進行1∶2 000數字地形圖測繪。測量作業(yè)時，使用三維激光掃描儀開展地形數據采集工作，并輔以GPS－RTK系統對標靶點和測站點進行坐標定位［6］。

2.1 工程概況

為滿足桔園規(guī)劃和建設的需要，需要對桔園進行1∶2 000數字地形圖的測繪。該測區(qū)為塊狀，范圍約8 km2，地形較為復雜，以山地為主。地物有水庫、山路、少量房屋、少量農田、電線等。最重要的是該地區(qū)樹木稀少(見圖2)。經分析認為，該測區(qū)非常適合利用地面激光掃描儀結合GPS－RTK進行作業(yè)。

圖2 測區(qū)(部分)實況Fig.2 A section of terrain in survey area

2.2 前期規(guī)劃

由于本測區(qū)地形復雜，以山地為主，所以對測區(qū)的地形特征進行分析是很有必要的，這樣可以提高外業(yè)作業(yè)效率。這次是利用測區(qū)已有的等高線地形圖對測區(qū)周圍環(huán)境進行考察，結合掃描儀的射程及特點估計掃描儀應設的站數，并在地形圖上標出每站的大致位置并作上記號。前期規(guī)劃的目的:一要保證最終獲取的所有數據能代表完整的測區(qū);二要選擇盡量少的測站以減少原始數據量。

2.3 點云數據采集

點云數據采集步驟如下:

1)架設基站:測量作業(yè)時，首先將基準站架設在測區(qū)內的已知點(平面坐標和高程已知)上?；鶞收疽话慵茉O在本次測區(qū)中間，視野開闊、周圍無高大樹木、無高大建筑物、遠離強電磁波發(fā)射源和大面積水面的已知點上。

2)選擇架設掃描儀位置:根據等高線地形圖上的記號找到相應的實地位置再結合周圍地形選擇架設掃描儀的位置。盡量選擇掃描覆蓋范圍廣，且遮擋較少的位置。盡量顧及容易漏測的位置，比如山溝等。選擇架站位置的好壞直接關系到外業(yè)工作量和采集數據的質量。儀器置平后量測該站的儀器高并進行記錄。

3)選擇后視位置:為了能夠在掃描數據上快速找到反射片的位置，后視位置盡量選擇有明顯特征的地物附近，如電線桿，標靶與掃描儀間的距離要在掃描儀的有效使用范圍內。標靶按作用可分為:拼接標靶和控制標靶。拼接標靶用來進行兩站的點云數據配準，控制標靶用來糾正點云數據到真實坐標。此項目采用的標靶既用作拼接標靶也用作控制標靶。

4)創(chuàng)建項目與相機參數標定:在進行一個新的掃描前，需要確保驅動器正確連接、開關打開和通訊端口設置正確。確定后打開Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀自帶的軟件RiSCAN Pro創(chuàng)建一個新的工程(該項目名為Project1)，接著進行數碼相機參數的標定。

5)數據獲取:第一步創(chuàng)建掃描站點;第二步用RiSCAN Pro軟件進行三維數據獲取，要設置水平方向上掃描起始和停止的角度、垂直方向上的角度、掃描分辨率、掃描次數等，這些參數會影響掃描一次所需要的時間。本項目中第一次使用的是較低分辨率360°粗掃描，是為了獲取更準的儀器傾斜角度;然后再設置高精度的角度分辨率進行反復掃描，確保掃描數據精度;最后找出反射體，對反射體進行精細掃描以便準確提取標靶中心點。

6)相片獲取:三維點云數據獲取過程結束后，下一步就是通過固定在激光掃描儀上的Nikon D300s－20mm數碼相機采集相片。對測區(qū)的特殊地形及地物拍照有利于后期的數據處理、地形圖的編輯修改。

7)獲取絕對坐標:用流動站RTK精確測量該站的標靶坐標和掃描儀位置坐標。

8)以后每站不用重新創(chuàng)建項目與標定相機參數，只需重復前面2、3、5、6、7步即可。如果測區(qū)超出了基站信號覆蓋范圍(一般為3～4 km)，則需重新架設基站，即需重復前面1～6步。

2.4 點云數據處理

2.4.1 測站拼接

Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀提供了3種與點云數據相關的坐標系［7］:掃描儀坐標系SOCS、工程坐標系PRCS和大地坐標系GLCS。掃描儀每一站獲取的點云數據都是基于掃描儀坐標系的，測站之間的拼接就是將各測站各自的掃描儀坐標系通過一個轉換矩陣MSOP轉換到同一個工程坐標系中。最后根據已知大地坐標和工程坐標的控制點計算工程坐標系與大地坐標系之間的轉換矩陣MPOP。

本項目是通過RiSCAN PRO軟件提供的后視定向方法計算每一站的掃描儀坐標系與工程坐標系的轉換矩陣。在后視定向方法的視圖中輸入相應的數據、確定相關參數后便可計算轉換矩陣MSOP。完成所有測站的坐標轉換后，所有測站就在同一個工程坐標系下，這就實現了測站拼接。為了使測站之間拼接得更準確還可以使用RiSCAN PRO提供的多站平差(MSA)功能模塊對所有測站進行平差。

2.4.2 數據壓縮

三維激光掃描儀是按線掃描的，點與點之間的間距很小，每測站采集的點云數可達到幾十萬到幾百萬個。所以對于大數據量的三維數據在模型化前要進行數據采集，因為模型化是一個耗時的計算過程，對計算機硬件要求較高。本項目是利用RiSCAN PRO軟件中的Octree filtering(反向樹型過濾)方法對掃描數據進行重采樣。

2.4.3 數據濾波

點云數據采集時難免會采集到含有粗差的相關觀測數據和無效數據，如植被、電線、房屋等。為了得到正確的地形信息，需要對采集的數據進行數據濾波，剔除干擾信息?？梢栽赗iSCAN PRO軟件中剔除噪聲點，也可以將拼接后的三維數據坐標提取出來，導入第三方軟件(如植被過濾軟件)中進行噪聲點剔除。

2.4.4 等高線生成

經過多次濾波和壓縮后，用保留下來的點生成等高線。圖3是部分區(qū)域的點云數據，由這些數據生成的等高線見圖4。具體步驟是:將保留的點云數據導出，保存為.dxf格式的文件，再在制圖軟件中打開該文件，基于這些高程點構建三角網，對三角網優(yōu)化后生成等高線(見圖4)。圖5為該部分區(qū)域的三維模型(填充后)。

圖3 濾波壓縮后的點云Fig.3 The filtered and compressed point clouds

圖4 等高線Fig.4 Contour lines

圖5 三維模型Fig.5 3D model

3 利用三維激光掃描儀進行地形測繪的優(yōu)勢和不足

3.1 地面三維激光掃描儀在丘陵地區(qū)地形測繪應用中的優(yōu)勢

1)地面三維激光掃描儀可以快速、高效的獲取點云數據。點云的坐標精度可以達到mm級。這樣既可以減輕外業(yè)測繪人員的工作量、提高工作效率，還可以獲取令人滿意的測量成果。

2)本測區(qū)主要以山地為主，地形復雜，如果用傳統的數字化測圖儀器(如GPS接收機、全站儀等)進行野外測量，采集的數據可能不準確、不全面，這可能會造成繪制的等高線失真，從而難以準確反映實際地形。

3)對于高陡地段，借助傳統的測量儀器難以獲取高精度的地形數據，同時還存在測量人員的安全問題。這時采用三維激光掃描儀開展數據采集具有很大優(yōu)勢。

3.2 地面三維激光掃描儀自身與應用的不足

1)由于工程范圍相對較大，凹凸不平起伏較大的地形較多，所有掃描儀的站點布設非常重要，既要保證數據不能缺失，又要保證數據不能過分冗余。怎樣更好的布設站點還需要進一步研究，提出更加合理的前期規(guī)劃方案，以提高外業(yè)作業(yè)效率、提供高質量的點云數據。

2)當地形高低起伏遮擋情況比較嚴重時，如山體上植被茂密時，容易出現數據黑洞，形成局部數據缺失。

3)三維激光掃描的點云數據豐富，其中包含了許多非地貌數據，為了得到準確的地形圖，要對數據進行過濾、壓縮，這就造成不必要的工作量。由于目前自動化或半自動化剔除點云數據中非地貌數據軟件還不夠成熟［8］，加上經驗不足，所以點云數據處理是主要的難點。

4)在數據的后期處理中，如三角化、數據優(yōu)化中，需要較多人工干預，自動化程度不高，如何選定參數在很大程度還處于選擇和優(yōu)化的過程，這是限制三維地形快速成圖的關鍵所在，該問題亟待有效解決［9］。

5)地面三維激光掃描儀采集的點云數據精度會受到多種因素影響［10］，如儀器的分辨率、儀器的測距和測角精度、外界環(huán)境等，這也直接影響了地形測繪成圖的質量。因此對儀器的檢校是十分重要的，但目前國內的三維激光掃描儀的檢校體系還不夠完善，這也需要進一步研究。

4 結論

本文采用Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀對桔園地形進行快速測量，最終生成該地區(qū)的等高線圖和DEM圖。實踐表明，利用地面三維激光掃描儀對該測區(qū)進行地形測繪是可取的，但該技術仍然存在一些不足，需要進一步的研究。

［1］李兵，朱繼東，陳艷.采用IKONOS衛(wèi)星影像進行立體測圖技術的應用研究［J］.地理信息世界，2006，4(6):62 －66.

［2］李欣，周佳瑋，劉正國，等.三維激光掃描技術在船體外形測量中的試驗性研究［J］.測繪信息與工程，2006，31(6):36 －37.

［3］劉盈.淺談地面三維激光掃描技術在市政工程測量中的應用［J］.北京測繪，2008(1):61，67 －68.

［4］梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪［J］.測繪通報，2010(1):53 －56.

［5］鄭德華，雷偉剛.地面三維激光影像掃描測量技術［J］.鐵路航測，2003(2):26－28.

［6］武漢測繪科技大學《測量學》編寫組.測量學［M］.北京:測繪出版社，2002:41－52.

［7］高志國.地面三維激光掃描數據處理及建模研究［D］.西安:長安大學，2010:36－44.

［8］SUI Lichun.Processing of Laser Scanner Data and Extraction of Structure Lines Using Methods of the Image Processing［J］.測繪學報，2004，33(1):63 －70.

［9］官蘭云.地面三維激光掃描數據處理中的若干問題研究［D］.上海:同濟大學，2008.

［10］劉春，張?zhí)N靈，吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估［J］.工程勘察，2009，37(11):56 －66.