三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用

楊海峰++黃承孝

摘 要：三維激光掃描技術(shù)可以很好地進(jìn)行地形地質(zhì)測(cè)量，其不僅在測(cè)量上具有高度精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，并且掃描效率高，操作較為靈活，這些都是普通的測(cè)量方法無法做到的。在我們生活中已經(jīng)有很多方面運(yùn)用到此技術(shù)，在很大程度上為我國(guó)從事科技事業(yè)的人員解決了難題，并且為我國(guó)的工程事業(yè)的發(fā)展做出了進(jìn)一步的推進(jìn)。該文首先概述了關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的一些原理，然后對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用地形測(cè)量進(jìn)行了分析，以此得出一些結(jié)論并歸納，為相關(guān)人員提供一些建議性的幫助。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 地形測(cè)量 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0012-02

三維激光掃描技術(shù)的突破實(shí)在GPS空間定位技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，主要是對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取、處理、服務(wù)方面進(jìn)行了一次新的技術(shù)提升。當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)發(fā)展十分迅猛，如今已普遍應(yīng)用于大面積范圍，并且效益顯著。該文通過簡(jiǎn)單概述三維激光掃描技術(shù)的原理，對(duì)其在地形測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)性分析。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)的主要組成有GPS差分定位系統(tǒng)（DGPS）、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（INS）以及激光測(cè)距系統(tǒng)。在利用光源的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行探測(cè)獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)、地表信息并且構(gòu)建三維場(chǎng)景。

較為代表的激光測(cè)距傳感器的組成主要有測(cè)距單元、控制和處理單元以及光學(xué)機(jī)械掃描裝置。比較常用的激光測(cè)距方式有兩種，即脈沖式和相位式。脈沖式激光測(cè)距是根據(jù)激光發(fā)射裝置生成激光并將其發(fā)射至即光脈沖接觸實(shí)物，產(chǎn)生反射再被激光接收機(jī)接收。以此測(cè)得地表和激光發(fā)射器之間的距離，公式如（1）所示。相位式測(cè)距則是利用傳感器發(fā)射以及接收波之間的相位差來計(jì)算得出傳感器與目標(biāo)之間的距離。除此之外，還可以通過系統(tǒng)內(nèi)的GPS能夠和測(cè)量區(qū)內(nèi)的GPS基站進(jìn)行差分，以獲得傳感器具體空間位置；INS主要負(fù)責(zé)記錄傳感器的狀態(tài)。

R=1/2Ct （1）

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)與處理

一套全面的LiDAR系統(tǒng)含有高分辨率數(shù)碼照相機(jī)所采集到的影像數(shù)據(jù)，INS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而此次該文主要集中在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行研究。LiDAR數(shù)據(jù)與普通的遙感數(shù)據(jù)是有區(qū)別的，它主要是獲取離散的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而這種離散數(shù)據(jù)在同一平面內(nèi)可接觸到幾個(gè)高程值，可以很好地得知一些細(xì)節(jié)信息以及有巨大變動(dòng)的目標(biāo)，如電線桿、峭壁等，但與此同時(shí)也相對(duì)增加了種種地形信息獲取的難度。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)第一次回波都是入射至物體像草坪、房屋等，最后一次是地面點(diǎn)反射形成的，可以說它的組成是多次回波的數(shù)據(jù)集中，整個(gè)流程比較繁雜，極其不方面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅可以獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)，還可以得知地表物對(duì)激光具有的作用，這在很大程度上為后續(xù)處理濾波、分類奠定了寶貴的基礎(chǔ)，。但也有一個(gè)弊端，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較大，在存儲(chǔ)上，一個(gè)運(yùn)算上甚至計(jì)算機(jī)硬件都提出了很高很嚴(yán)格的要求。

通常地面LiDAR系統(tǒng)都是掃描儀生產(chǎn)廠商用來處理公司自營(yíng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的軟件，像Leica公司的Cyclone軟件和Riegl公司的RiSCAN PRO軟件等基本的架構(gòu)和功能也是差不多類似的，在這些軟件下得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成其他類型數(shù)據(jù)用AutoCAD，Geomagic，3DMAX等數(shù)據(jù)處理軟件，可以更加方便地對(duì)用戶的要求做出相應(yīng)的改變。當(dāng)前Cyclone已經(jīng)更新到7.0版本，版本內(nèi)容豐富，如添入了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在較為系統(tǒng)的完成數(shù)據(jù)采集的前提下，能夠很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理流程，可以應(yīng)用于工程放樣，并可以通過Cyclone VIEWER模塊處理其它儀器（如航空雷達(dá)、非Leica測(cè)量系統(tǒng)的掃描儀）的ASCII，PTS和PTX等格式的數(shù)據(jù)

2 三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量中的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是為了了解勘測(cè)區(qū)內(nèi)的具體環(huán)境信息，如具體明確標(biāo)靶的位置、掃描儀以及測(cè)站數(shù)，為了保障所獲取的數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，通常會(huì)選擇較少的測(cè)站，這樣就可以省去原始數(shù)據(jù)量造成的繁雜。為了后面數(shù)據(jù)匹配有效完成，通常會(huì)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和紋理數(shù)據(jù)的獲取進(jìn)行同步操作。所以，必須嚴(yán)格按照所規(guī)定的比例尺規(guī)格進(jìn)行選擇對(duì)應(yīng)的采樣標(biāo)準(zhǔn)，并依次逐站掃描。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理的時(shí)候，主要流程有：點(diǎn)石匹配、噪聲消除、分割、坐標(biāo)變換、圖像匹配。而對(duì)于那些不是同一站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要嚴(yán)格匹配正確，將其歸置于一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，進(jìn)行目標(biāo)構(gòu)模和進(jìn)行定量分析。常采用的匹配方法有以下幾種。

（1）在GPS的幫助下，獲得各個(gè)掃描站點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)置于其中，以此就可以得出較為準(zhǔn)確的點(diǎn)云地理位置，并且可進(jìn)一步與其它遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析處理?；谂錅?zhǔn)的基礎(chǔ)，利用地形的重采樣和手動(dòng)點(diǎn)云對(duì)植被、電線桿、房屋、空氣等產(chǎn)生的噪音進(jìn)行消除。分割點(diǎn)石構(gòu)建目標(biāo)模型。截取清晰的紋理圖像與點(diǎn)石匹配，作為該地區(qū)的地理樣貌特征信息資料。

（2）如在掃描的時(shí)候多次掃到相同的目標(biāo)，可作為匹配的公共點(diǎn)坐標(biāo)系，將不同站掃獲的點(diǎn)云置于其中。

2.3 地物的提取與繪制

提取地物特征，如房屋角點(diǎn)、電線桿中心點(diǎn)，首先需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配精確，然后按照紋理信息進(jìn)行人工提取。也可以采用地面三維激光掃描，對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行處理提取，如利用Leica的Cyclone軟件，在點(diǎn)石視圖中手工提取地物特征點(diǎn)，并以一定的格式輸出到文本文件中。如，PointNum-ber，F(xiàn)eature Code，E，N ， H 0格式的文件，可直接導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測(cè)圖軟件（如CASS）中繪制地物。

2.4 等高線生成

詳細(xì)的地面信息不能用三維激光掃描，因?yàn)槿S激光掃描密度較大，在地形測(cè)繪當(dāng)中點(diǎn)位過密且遍布不均。而如果采用掃描點(diǎn)構(gòu)造三角網(wǎng)追蹤等值線，很可能會(huì)因?yàn)橐恍┓爆嵉募?xì)節(jié)信息，導(dǎo)致等高線混亂。因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在排除非地貌因素干擾后，都會(huì)依照地形測(cè)繪的具體精度標(biāo)準(zhǔn)做出相應(yīng)的變動(dòng)，最后得出數(shù)據(jù)，輸入大比例數(shù)字測(cè)圖軟件，以此生成等高線。

2.5 地形圖編輯

編輯地形圖的時(shí)候，可以將地物圖形和等高線圖形重疊編輯，但是會(huì)因?yàn)椴糠值匚飻?shù)據(jù)的刪除而影響等高線，造成等高線殘缺、異形、不完整等情況。所以，這里就需要手動(dòng)修整點(diǎn)石數(shù)據(jù)，對(duì)照照片進(jìn)行，添加高程注記，形成圖廓，修飾對(duì)局部。

3 結(jié)語

三維激光掃描系統(tǒng)本身就具有高效、精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，將其運(yùn)用于地形測(cè)繪當(dāng)中無疑是個(gè)很好的選擇，不但在很大程度上給工作人員的操作減輕了困難，還提高了工作效率，測(cè)繪結(jié)果也相比之前要好?？梢哉f三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用，很大程度上幫助且完善了測(cè)繪工作，使測(cè)繪工作的開展進(jìn)一步擴(kuò)展提升，相關(guān)數(shù)據(jù)采集較為完備。但是三維激光掃描系統(tǒng)在進(jìn)行測(cè)繪成圖的過程當(dāng)中，必須要依靠全站儀、GPS等設(shè)備高度配合的基礎(chǔ)下進(jìn)行，精準(zhǔn)掌握各個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)信息。而在此過程中，必須提高測(cè)站定位精度、目標(biāo)物體反射面結(jié)果以及外界環(huán)境條件，主要是為了保障地形測(cè)繪成圖質(zhì)量，獲取高質(zhì)量的測(cè)繪成果圖。

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