三維激光掃描儀在地形測量中的一體化應(yīng)用

摘 要：在地形測量一體化中，三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測量方法所不具備的優(yōu)勢：無需接觸被測地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文以三維激光掃描儀對四川省漢源縣萬工集鎮(zhèn)的滑坡區(qū)進(jìn)行掃描為例，介紹了三維激光掃描儀在一體化測量中的控制網(wǎng)布設(shè)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、地形圖繪制等流程，并分別采用平面誤差、高程誤差和平面中誤差、高程中誤差兩種方法檢查了測圖質(zhì)量。其結(jié)果表明，該方法完全可以滿足地形測量精度要求。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 數(shù)據(jù)處理 地形圖 誤差 精度

中圖分類號：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0058-01

地形測量一體化是運(yùn)用測量儀器及技術(shù)，對某一地形進(jìn)行外業(yè)測量，并通過內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模、生成地形圖的一體化生產(chǎn)過程。對于地形測量，常見的技術(shù)方法是全站儀測圖、GPS-RTK測圖、攝影測量等。而對于危險(xiǎn)區(qū)域的地形測量，如高海拔、地形險(xiǎn)峻、環(huán)境惡劣區(qū)域的地形數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)的測量方法如全站儀測圖不能快速的獲取數(shù)據(jù)，且存在采點(diǎn)困難、作業(yè)效率低下等問題，而攝影測量雖然可以一次性獲取大量空間信息，但存在周期長、效率低等問題。三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測量方法所不具有的優(yōu)點(diǎn)：無需接觸被測地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是一種新型的空間信息數(shù)據(jù)獲取手段，已經(jīng)在變形監(jiān)測、文物保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1-3]。

1 三維激光掃描儀在地形測量一體化中的運(yùn)用

1.1 測區(qū)概況

本次測區(qū)為一滑坡，其位于四川省漢源縣縣城東南約20公里的萬工集鎮(zhèn)，地處大渡河瀑布溝庫區(qū)左岸，屬于高中山地形，掃描區(qū)域的地形起伏略大，植被較少，減少了對采集到的云數(shù)據(jù)的干擾，對數(shù)據(jù)的預(yù)處理比較有利，提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。

鑒于本項(xiàng)目的地形特點(diǎn)，決定采用Leica Scanstation2三維激光掃描儀進(jìn)行測量，使用拓普康GPT-7502全站儀布設(shè)控制網(wǎng)，其測角精度為2”，測距精度為±（2mm+2ppm）。

1.2 控制網(wǎng)布設(shè)

為了在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配拼接，在測區(qū)范圍內(nèi)埋設(shè)了用于設(shè)站和定向的控制點(diǎn)K1～K6，其均勻布設(shè)在測區(qū)內(nèi)。掃描站點(diǎn)選擇在視野開闊的區(qū)域，在保證精度的情況下，能最大范圍的掃描到目標(biāo)。

1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

考慮到該地形的特殊性，采用分站式的掃描方式對測區(qū)進(jìn)行大面積的掃描，即以測站為中心，對周圍一定距離半徑的區(qū)域進(jìn)行掃描。

該三維激光掃描儀與常規(guī)全站儀測量不同，可采用已知后視點(diǎn)坐標(biāo)的自由設(shè)站法，置平后無須定向即可測量。將儀器安置在K1上，在測區(qū)選擇3個(gè)不在同一條直線上的點(diǎn)安放藍(lán)白標(biāo)靶，將其中一個(gè)標(biāo)靶安置在K2上，啟動(dòng)配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫與工程文件，通過設(shè)置角度范圍對掃描區(qū)域進(jìn)行拍照，設(shè)置好參數(shù)后對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描。然后依次把掃描儀架設(shè)在K3、K5、K6、K4、K2上，采用相同方法進(jìn)行掃描，直到所有掃描完成。

每測站掃描結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場檢查，判斷是否有區(qū)域掃描遺漏，檢查標(biāo)靶的采樣率是否符合要求，檢查無誤后對每一測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行命名，包括測站名稱、掃描順序等，然后保存。

1.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，應(yīng)用Cyclone軟件及Geomagic Studio 12軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其處理過程主要包括：不同測站點(diǎn)云的拼接、噪聲處理、點(diǎn)云濾波平滑、抽稀壓縮、空洞修補(bǔ)及數(shù)據(jù)輸出。

1.5 地形圖的繪制

經(jīng)過預(yù)處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)其三維坐標(biāo)是基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的，而地形圖采用的是國家坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，在用點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖前需將基于三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到國家坐標(biāo)系中。在此采用四參數(shù)模型進(jìn)行平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，而高程的轉(zhuǎn)換采用平面擬合法。

轉(zhuǎn)換完成后，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取居民地、交通設(shè)施、河流、陡坎、獨(dú)立地物等地物點(diǎn)坐標(biāo)并編輯制圖。其他高程點(diǎn)過濾植被后，按照成圖比例尺大小，選擇合適的點(diǎn)間距，稀釋點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將采樣得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS中建立DTM模型，生成等高線。將地物和等高線圖形進(jìn)行疊加編輯，最終完成地形圖。

1.6 成圖質(zhì)量檢查

對三維激光掃描儀所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所成的地形圖進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要采用全站儀所測檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)和三維激光掃描儀掃描得到的點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行對比計(jì)算，求出此類點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差[4]，進(jìn)行質(zhì)量檢查。

本次在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了5個(gè)檢核點(diǎn)，掃描時(shí)在檢核點(diǎn)上安置標(biāo)靶。采用全站儀測得5個(gè)檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)和掃描儀轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來檢查地形圖的可靠性，見表1。

通過表1可以看出，兩者獲取的檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)差值的絕對值最小為4mm，最大值為17mm；高程差值的絕對值最小值為4mm，最大值為28mm。采用表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到檢核點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差為：M--x=±15mm，My=±14mm，Mh=±20mm。

對采用三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與利用全站儀測得的三維坐標(biāo)，其檢核點(diǎn)的平面坐標(biāo)中誤差<5cm，高程中誤差<3cm，對于大比例尺地形圖，在地形圖上的誤差小于1mm，能夠達(dá)到繪制地形圖的精度要求。由此可以看出，三維激光掃描儀的精度能夠滿足地形圖測量的要求。

2 結(jié)論

將三維激光掃描儀用于地形測量是完全可行的，在地形測量一體化中，采用三維激光掃描技術(shù)完全能夠滿足一般地形圖測量的需要，與其他地形圖測量方法相比較，其能夠?qū)崿F(xiàn)真正的一體化，利用三維激光掃描儀與計(jì)算機(jī)相結(jié)合得出的地形圖，大大提高了效率，節(jié)省大量人力物力，尤其是在地形險(xiǎn)峻、人難以到達(dá)的地方有著極大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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