基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪研究

賈正飛　周雪峰

[摘要]隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的范圍不斷擴(kuò)大。對(duì)于工程測(cè)量人員來(lái)說(shuō)，在大量的陡崖、峽谷等復(fù)雜危險(xiǎn)地形的測(cè)量工作中，傳統(tǒng)地形測(cè)繪方法常常束手無(wú)策?；诘孛嫒S激光掃描形成的精確地形測(cè)繪技術(shù)，不僅具有不接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，而且測(cè)量工作進(jìn)行的精確、快速。因此本文將從地形測(cè)繪的角度出發(fā)，結(jié)合地面三維激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)際，對(duì)基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

[關(guān)鍵詞]三維激光 地形 精確測(cè)繪

[中圖分類號(hào)] P217 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-177-1

0前言

對(duì)于復(fù)雜危險(xiǎn)地區(qū)的精確地形測(cè)繪，常規(guī)的測(cè)繪方法往往顯得無(wú)能為力，無(wú)接觸測(cè)量成為這種測(cè)量工作的首選測(cè)量方式，其中又尤以三維激光掃描技術(shù)為甚?，F(xiàn)代三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，具有高精度、全數(shù)字化、測(cè)量方式靈活等特點(diǎn)，能夠快速完成對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)地區(qū)的精確地形測(cè)量。是我國(guó)測(cè)量領(lǐng)域的重要測(cè)量方法，因此對(duì)基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1地面三維激光掃描的基本原理

從技術(shù)層面來(lái)看三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，是激光測(cè)距系統(tǒng)的一種集成升級(jí)版本，集成的主要內(nèi)容包括有內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備。其中地面三維激光掃描測(cè)量?jī)x主要由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、由馬達(dá)控制且可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、彩色CCD相機(jī)、控制電路板、微電腦和軟件等組成[1]。

在實(shí)際的運(yùn)行活動(dòng)中，內(nèi)置激光脈沖發(fā)射器會(huì)周期性的驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光脈沖，脈沖在到達(dá)指定目標(biāo)后返回被系統(tǒng)的接收透鏡接收，在這一過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)置計(jì)時(shí)裝置會(huì)對(duì)激光往返目標(biāo)之間的時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，結(jié)合激光傳播的速度，就可以掌握測(cè)量點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)之間的直線距離，通過(guò)激光發(fā)射其不間斷的發(fā)射脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形中多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)位置計(jì)算，然后通過(guò)內(nèi)置微電腦按照預(yù)設(shè)的算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，能夠高效、精確的測(cè)量目標(biāo)地區(qū)的地形分布。

2地面三維激光掃描精細(xì)地形測(cè)繪

通常情況下使用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜地形的精確測(cè)繪任務(wù)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、地面物體的提取與繪制、非地貌數(shù)據(jù)的提出，以及等高線的生產(chǎn)等幾個(gè)關(guān)鍵步驟，以下將對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)敘述。

2.1數(shù)據(jù)采集

在使用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜地形的測(cè)繪任務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集工作是首要任務(wù)。測(cè)繪活動(dòng)首先應(yīng)該保證各個(gè)掃描站最終獲取的數(shù)據(jù)能夠代表完整的測(cè)量區(qū)域情況，在此基礎(chǔ)上應(yīng)該盡量減少測(cè)站的數(shù)量，以減少測(cè)量數(shù)據(jù)量和工作量。同時(shí)在復(fù)雜地形的測(cè)量活動(dòng)中還應(yīng)該對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行拍照，為后期的數(shù)據(jù)處理和地形圖的編輯修改提供數(shù)據(jù)支持[2]。

為了保證測(cè)站定位的準(zhǔn)確性，在測(cè)站掃描工作中應(yīng)該設(shè)置三到四個(gè)點(diǎn)位精確測(cè)量點(diǎn)，對(duì)這些測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行精確的測(cè)量。這些測(cè)量點(diǎn)與測(cè)量基站之間就構(gòu)成了這一測(cè)量基站測(cè)量模型的骨架，能夠?qū)ζ渌胀y(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行印證和完善。

2.2采集數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

因?yàn)榈孛嫒S激光掃描技術(shù)的主要測(cè)量方式是點(diǎn)測(cè)量，為了保證對(duì)復(fù)雜地形全貌測(cè)量的完整性，在分站測(cè)量結(jié)束以后需要對(duì)從不同基站、不同角度獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)配準(zhǔn)。所以在不同的測(cè)量基站測(cè)量活動(dòng)中，為了實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)換算，需要在測(cè)量區(qū)域的中心地帶設(shè)置三個(gè)或者三個(gè)以上的交點(diǎn)標(biāo)靶，保證其即處于這一基站測(cè)量范圍內(nèi)，又處于另一基站的測(cè)量范圍，兩個(gè)基站測(cè)量的數(shù)據(jù)就能夠借助這一相同標(biāo)靶，實(shí)現(xiàn)換算形成統(tǒng)一的區(qū)域地形測(cè)量數(shù)據(jù)[3]。

2.3地物、地貌的提取與繪制

在使用地面三維機(jī)關(guān)掃描技術(shù)的測(cè)量活動(dòng)中，因?yàn)闇y(cè)量活動(dòng)主要的形式是“點(diǎn)測(cè)量”，形成的初步測(cè)量圖是由許多點(diǎn)形成的“點(diǎn)云”，觀看“點(diǎn)云圖”就像觀看一幅分辨率較差的圖片一樣，使用者能夠依稀看出圖像的大致輪廓，但是不能分辨其中的地物和地貌等精確信息，所以在實(shí)際的測(cè)量活動(dòng)中，初步點(diǎn)測(cè)量完成后還要借助圖像后期處理技術(shù)對(duì)測(cè)量圖進(jìn)行地物和地貌的提取。通常情況下由于地物和地貌的特殊性和復(fù)雜性，后期處理中需要處理主體從配置好的云數(shù)據(jù)中手工提取地物和地貌特征，如特殊地貌的高點(diǎn)、低點(diǎn)、起止位置，地物的屋角點(diǎn)、電線桿中心點(diǎn)等[4]。

2.4等高線生成

在應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量活動(dòng)中，因?yàn)榧す鈷呙璧拿芏容^大，且其對(duì)區(qū)域高程的反應(yīng)比較靈敏，如果直接使用地面三維激光掃描技術(shù)測(cè)量形成的測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)等高線，繁復(fù)的測(cè)量點(diǎn)和多變的地形會(huì)導(dǎo)致等高線過(guò)于密集，且相交點(diǎn)極多的現(xiàn)象。所以一般情況下測(cè)量主體會(huì)對(duì)測(cè)量形成的等高線信息進(jìn)行后期處理，以保證圖像整體的使用性能，具體而言將剔除非地貌因素后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按地形測(cè)繪要求的密度進(jìn)行抽稀。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測(cè)圖軟件中，自動(dòng)生成等高線。

2.5地形圖編輯

在上述工作都完成以后，就可以對(duì)這一地區(qū)的地形圖與等高線圖進(jìn)行疊加處理。在處理過(guò)程中需要對(duì)兩種圖樣的測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)兩種圖樣的定位中心進(jìn)行準(zhǔn)確的核對(duì)。因?yàn)樵谥暗臄?shù)據(jù)處理過(guò)程中去掉了部分區(qū)域的地形和等高線數(shù)據(jù)，在結(jié)合完成以后會(huì)形成等高線部分區(qū)域的缺失、扭曲、不光滑等問(wèn)題，這種情況下就需要處理人員對(duì)其進(jìn)行手工修補(bǔ)，修改工作應(yīng)該根據(jù)測(cè)量的原始云數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行，以結(jié)合后的缺陷區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行找回和標(biāo)注。最終保證圖表的完整、光滑，并加上相應(yīng)的高程標(biāo)記，生成圖廓進(jìn)行局部的修飾[5]。

3結(jié)論

基于地面三維激光掃描的精確地形測(cè)繪技術(shù)，是現(xiàn)代非接觸測(cè)量技術(shù)的典型代表，其在測(cè)量活動(dòng)中的應(yīng)用不僅能夠極大的提升測(cè)量工作的效率和質(zhì)量，而且能夠幫助測(cè)量人員克服帝鄉(xiāng)復(fù)雜、環(huán)境惡劣問(wèn)題，因此對(duì)這一技術(shù)的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義，本文從地面三維激光掃描的基本原理、地面三維激光掃描精細(xì)地形測(cè)繪兩個(gè)方面對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，認(rèn)為地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪技術(shù)能夠有效的減少測(cè)量工作的工作量，提升測(cè)量工作的準(zhǔn)確性和效率，是一種技術(shù)水平高、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)量技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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