基于三維激光掃描技術(shù)的地形測(cè)量一體化應(yīng)用研究

徐子紅

摘 要：地形測(cè)量一體化是指利用測(cè)量?jī)x器與技術(shù)針對(duì)某一地形進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，同時(shí)通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、地形圖生成及建模的整個(gè)一體化生產(chǎn)過(guò)程。全站儀測(cè)圖、GPS RTK測(cè)圖及攝影測(cè)量等是比較常見(jiàn)的地形測(cè)量技術(shù)，但是對(duì)于一些危險(xiǎn)地區(qū)的地形側(cè)廊來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)往往不能快速獲得數(shù)據(jù)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)，不需要接觸被測(cè)地形即可快速獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。下面就針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量一體化中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；地形測(cè)量一體化；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.096

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得顯著的效果，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有工作效率高、測(cè)量精確率高等特點(diǎn)，在地形地質(zhì)測(cè)量中應(yīng)用不僅掃描速度快，同時(shí)測(cè)量精確度也得到了提高，當(dāng)前很多科技人員均將這項(xiàng)技術(shù)作為實(shí)際工作中解決問(wèn)題的主要手段，為工程測(cè)量及數(shù)據(jù)研究工作提供了保證。下面筆者嘗試結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)在地形測(cè)量中的一體化應(yīng)用進(jìn)行深入剖析。

1 三維激光掃描技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 掃描硬件技術(shù)

（1）掃描速度，從以前的每秒幾千點(diǎn)提升到了現(xiàn)在的每秒幾萬(wàn)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間大大縮短，工作效率提高的同時(shí)還保證了野外數(shù)據(jù)采集的安全性；（2）掃描結(jié)構(gòu)，從之前的分體式結(jié)構(gòu)改變?yōu)楝F(xiàn)在的一體集成結(jié)構(gòu)，這種掃描結(jié)構(gòu)由掃描電池內(nèi)置、高分辨率數(shù)碼相機(jī)及高分辨率觸摸屏等部分組成，不僅操作非常方便，而且便于攜帶；（3）視場(chǎng)角，從原來(lái)的幾十度發(fā)展到了全景掃描，不僅工作效率高、操作簡(jiǎn)單，同時(shí)數(shù)據(jù)后續(xù)處理也更加簡(jiǎn)便；（4）精確度，細(xì)微掃描點(diǎn)測(cè)量操作可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)儀器的應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展，眾多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)需求均可以得到滿足。

1.2 軟件進(jìn)步技術(shù)

（1）處理量，隨著近年來(lái)算法程序的改進(jìn)，當(dāng)前的掃描軟件已經(jīng)可以儲(chǔ)存并處理十幾億點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這種性能上的變化為人們處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中提供了有效的幫助，精細(xì)化掃描得以實(shí)現(xiàn)；（2）功能齊全，當(dāng)前掃描技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中就能滿足實(shí)際需求，利用其可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地形測(cè)量、二維線條提取及建模等功能，當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)測(cè)繪、工業(yè)設(shè)計(jì)及文物保護(hù)等方面研究中都需要用到掃描技術(shù)。在地形與地質(zhì)測(cè)量工作中，應(yīng)用該技術(shù)不僅測(cè)量簡(jiǎn)單、容易操作，同時(shí)得到的測(cè)量結(jié)果也非常精確、全面，可以對(duì)三維結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析，并且不會(huì)受到環(huán)境因素的影響。

2 地形測(cè)量一體化的三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

隨著全站儀、航空攝影測(cè)量?jī)x及GPSRTK等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地形測(cè)量作業(yè)開始朝著內(nèi)外業(yè)一體化方向發(fā)展。利用三維激光掃描地形獲取的數(shù)據(jù)懸浮于孔中，屬于沒(méi)有屬性的、離散的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，被人們形象的稱為“點(diǎn)云”。在地形測(cè)量一體化中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要利用地面三維激光掃描儀與機(jī)載三維激光掃描儀測(cè)量獲取，前者可以獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中大量數(shù)據(jù)，后者發(fā)射的激光脈沖可以部分穿透樹林等遮擋物，直接獲取真實(shí)地面三維地形的信息。

2.1 地面三維激光掃描儀的工作原理與數(shù)據(jù)采集

地面三維激光掃描系統(tǒng)屬于一種三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，它集成了很多高新技術(shù)，其核心為三維激光掃描儀，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，不管從硬件上還是軟件上地面三維激光掃描儀均得到了很大程度的提高。該掃描儀使用測(cè)距范圍較大，與無(wú)棱鏡測(cè)量的全站儀相比，這種儀器可以使所有測(cè)量領(lǐng)域的要求得到滿足；全方位視角，可以方便用戶掃描頭頂方向、水平及水平面上下物體，在掃描過(guò)程中不會(huì)受到視角的限制，充分實(shí)現(xiàn)了360°視角的掃描，幾乎不存在盲區(qū)；測(cè)量電位精度高，掃描儀測(cè)量單個(gè)點(diǎn)精度可以達(dá)到毫米級(jí)，精掃功能對(duì)遠(yuǎn)距離標(biāo)靶的精度較高，充分保證了數(shù)據(jù)拼接精度。在地形測(cè)量一體化中，主要利用地面三維激光掃描儀獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量前需要做好掃描儀架設(shè)位置、掃描順序等準(zhǔn)備工作，然后連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、拍照等，最后獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 機(jī)載三維激光掃描儀的工作原理與數(shù)據(jù)采集

利用機(jī)載三維激光掃描儀可以獲得真實(shí)的影響數(shù)字模型與高程模型，是當(dāng)前航測(cè)技術(shù)的尖端，其最大的特點(diǎn)在于不會(huì)受到天氣條件、日照條件的限制，可以實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)，為數(shù)字制圖、GIS應(yīng)用提供地面模型數(shù)據(jù)。機(jī)載系統(tǒng)包括激光掃描、姿態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)定位及計(jì)算機(jī)等諸多技術(shù)，利用激光測(cè)量技術(shù)可以快速獲取精確的三維坐標(biāo)，利用高速計(jì)算機(jī)計(jì)算得到地物垂直結(jié)構(gòu)形態(tài)，從而增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。利用機(jī)載系統(tǒng)放射器發(fā)射的激光脈沖可以部分穿透樹林的遮擋，得到真實(shí)地面的三維地形信息，在測(cè)量地形之前需要組好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，航行測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意可能會(huì)發(fā)生的變故。首先制定飛行計(jì)劃，然后設(shè)定GPS基站，再進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量與慣性測(cè)量，最后利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 三維激光掃描技術(shù)的地形測(cè)量一體化應(yīng)用

某測(cè)區(qū)為一滑坡，屬于高中山地形，掃描區(qū)域存在較大的地形起伏，該地區(qū)的植被較少，數(shù)據(jù)采集不會(huì)受到很大干擾，大大提升了數(shù)據(jù)的真實(shí)性及可靠性。鑒于該項(xiàng)目的地形特點(diǎn)，決定利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)距精度是±（2mm+2PPm）。

3.1 控制網(wǎng)布設(shè)

為了在同一坐標(biāo)系中針對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配連接，于測(cè)區(qū)中埋設(shè)了定向控制點(diǎn)K1～K6，這些控制點(diǎn)均勻的布設(shè)在了測(cè)區(qū)之中，于視野開闊區(qū)域中定位掃描站點(diǎn)，在確保精度的前提下從最大范圍上掃描目標(biāo)。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

按照測(cè)區(qū)的特殊地形情況，利用分站式掃描方式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行大面積掃描，以測(cè)站為中心按照一定半徑進(jìn)行掃描。將三維激光掃描儀設(shè)置在K1點(diǎn)上，選擇3個(gè)不在同一直線上的點(diǎn)，安放標(biāo)靶，注意將其中一個(gè)標(biāo)靶安置于K2點(diǎn)上，啟動(dòng)Cyclone軟件，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用相關(guān)工程文件對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行拍照，在設(shè)置好參數(shù)以后對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，并依次將掃描儀架設(shè)于K2、K5、K4、K2各點(diǎn)上，利用同樣的方法對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行掃描，一直到所有掃描工作完成為止。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

待云數(shù)據(jù)采集完成后，利用Geomagic Studio 12軟件與Cyclone軟件處理采集到的數(shù)據(jù)，拼接不同測(cè)站點(diǎn)云，進(jìn)行噪聲處理、點(diǎn)云濾波平滑處理、壓縮抽稀、修補(bǔ)空洞，最終數(shù)據(jù)輸出。

3.4 繪制地形圖

利用國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)可以繪制出地形圖，但是經(jīng)過(guò)預(yù)處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)針對(duì)掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的，二者存在一定差異，所以需要完成從三維掃描儀到國(guó)家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，這就需要將四參數(shù)模型轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)，而高程轉(zhuǎn)換通常需要利用平面擬合法。完成上述轉(zhuǎn)換工作之后，可以從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將交通設(shè)施、居民地、河流等地物點(diǎn)坐標(biāo)提取出來(lái)，然后編輯制圖，其他高程點(diǎn)過(guò)濾之后，按照成圖比例尺選擇點(diǎn)間距，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀釋，在CASS中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)并建立DTM模型，生成等高線，疊加編輯后完成地形圖。

2.5 成圖質(zhì)量檢查

利用三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖，需要對(duì)該地形圖進(jìn)行質(zhì)量檢查。具體來(lái)說(shuō)，需要對(duì)比這些坐標(biāo)與利用全站儀獲得的三維坐標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，最后得到平面誤差與高程誤差。該工程共在測(cè)區(qū)中設(shè)置了5個(gè)檢核點(diǎn)，掃描過(guò)程中需要將標(biāo)靶安置在檢核點(diǎn)上，利用全站儀可以得到5個(gè)檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)，對(duì)比其余掃描儀轉(zhuǎn)換得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以此檢查地形圖是否可靠。對(duì)比利用全站儀獲得的三維坐標(biāo)與利用三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)誤差在5cm以內(nèi)，高程中誤差在3cm以內(nèi)，可以達(dá)到繪制地形圖的精度要求，可見(jiàn)，利用三維激光掃描技術(shù)可以滿足地形圖測(cè)量的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，在地形測(cè)量中應(yīng)用三維激光掃描儀是可行的，在地形測(cè)量一體化領(lǐng)域中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)完全可以使地形圖測(cè)量需求得到滿足，并且與其他地形圖測(cè)量技術(shù)相比可以真正實(shí)現(xiàn)一體化目標(biāo)，利用該項(xiàng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合可以得到精度較高的地形圖，工作效率大大提高，節(jié)省了大量的人力、物力，特別是在一些地形險(xiǎn)峻、人難以達(dá)到的測(cè)區(qū)其優(yōu)勢(shì)可以得到充分發(fā)揮。

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