三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用及解析

賀健

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，測(cè)繪成果數(shù)據(jù)逐步向大數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)和模型化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理模式已無法滿足現(xiàn)代測(cè)繪成果的生產(chǎn)需求，因此新的測(cè)繪技術(shù)和設(shè)備孕育而生且得到快速發(fā)展，三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)作為當(dāng)今先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備逐漸得到普及。該文就三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、構(gòu)成、成果類型及應(yīng)用領(lǐng)域作一些解析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;測(cè)繪行業(yè);測(cè)繪數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的硬件主要由激光掃描傳感器、航測(cè)相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全景影像系統(tǒng)和差分定位系統(tǒng)（DGPS）組成，能夠自動(dòng)、快速、精確地采集空間三維數(shù)據(jù)。具有受天氣環(huán)境影響小、數(shù)據(jù)采集時(shí)間短、效率高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。通過疊加高分辨率相機(jī)可獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)和清晰的地面影像，得到高精度的數(shù)字高程模型和正射影像圖，最終精確獲得用戶所需1∶500、1∶1000、1∶2000等不同比例尺的數(shù)字圖、影像圖及各類專題數(shù)據(jù)成果。測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展為三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)提供了廣闊的應(yīng)用前景。

1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)

該系統(tǒng)具有以下5種優(yōu)勢(shì)。1）是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量方法，受環(huán)境影響和限制較小。2）與傳統(tǒng)測(cè)繪相比較，通過差分定位系統(tǒng)（DGPS）控制工作可以大大減少，根據(jù)測(cè)區(qū)大小、精度要求只需要布設(shè)一個(gè)或多個(gè)GPS基準(zhǔn)站。3）采集速度快、測(cè)量精度高、外業(yè)作業(yè)工作量少，處理自動(dòng)化程度高。4）可以安全地對(duì)危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高精度的三維測(cè)量。5）穿透性，基于多次回波原理，激光能穿透植被達(dá)到目標(biāo)表面。

2 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的組成及主要部件

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)以動(dòng)力三角翼、無人機(jī)或有人機(jī)（旋翼機(jī)或固定翼飛機(jī)）、汽車、摩托車及人背等為載體平臺(tái)，高度集成激光掃描傳感器、航測(cè)相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全景影像系統(tǒng)、差分定位系統(tǒng)（DGPS）及控制電路，同步采集高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航（定位定姿）數(shù)據(jù)及差分定位（DGPS）數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行融合、計(jì)算、解析、糾錯(cuò)等，自動(dòng)快速地生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)及數(shù)學(xué)高程模型（DEM）、數(shù)學(xué)表面模型（DSM）和數(shù)學(xué)正射影像圖（DOM），制作數(shù)字規(guī)劃地圖（DLG）和3D模型。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)分為3個(gè)部分。硬件平臺(tái)、后處理軟件平臺(tái)、載體平臺(tái)。

2.1 三維激光掃描測(cè)量硬件平臺(tái)

三維激光掃描測(cè)量硬件平臺(tái)主要由激光掃描傳感器、航測(cè)相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全景影像系統(tǒng)和差分定位系統(tǒng)（DGPS）組成。

激光掃描傳感器是三維激光掃描測(cè)量硬件平臺(tái)的核心部分。目前，比較成熟的是奧地利RIEGL激光測(cè)量系統(tǒng)公司生產(chǎn)的RIEGL系列激光傳感器，以VUX-1LR激光傳感器為例，其主要技術(shù)參數(shù)是：激光等級(jí)I級(jí);激光測(cè)距范圍/物體反射率1350/60%、820m/20%;掃描頻率75萬點(diǎn)/s;測(cè)距精度15mm@150m;角分辨率，0.001°;掃描速度， 200線/s、程最大測(cè)程1 350 m、最小測(cè)量距離5 m、激光發(fā)散度0.5 mrad、激光脈沖發(fā)射頻率820 kHz、回波信號(hào)強(qiáng)度每個(gè)回波具有16位高分辨率強(qiáng)度信息近紅外。

RIEGL技術(shù)具有全回波信號(hào)數(shù)字化和在線波形處理技術(shù)以及多周期回波（MTA）處理功能，MTA在激光測(cè)距過程中，遇到反射物時(shí)經(jīng)過多次往返周期與累計(jì)時(shí)間相比求平均值，得到激光往返一個(gè)周期的時(shí)間，從而計(jì)算出距離。多回波技術(shù)具備穿透植被到達(dá)地面，從而獲取地面點(diǎn)云的能力，解決了傳統(tǒng)航測(cè)在植被茂盛地區(qū)無法獲取高精度DEM的問題。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），該系統(tǒng)主要由陀螺儀和加速度計(jì)組成，陀螺儀采集和建立坐標(biāo)系統(tǒng)，將加速計(jì)的測(cè)量軸置于其中，并向加速計(jì)提供航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，結(jié)合加速計(jì)采集的加速度數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)得到距離，從而解算出三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在導(dǎo)航坐標(biāo)系中連續(xù)的速度和位置，得到所需的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

航測(cè)相機(jī)主要用于采集正射影像數(shù)據(jù)，形成正射影像圖。

全景影像系統(tǒng)集成了5臺(tái)側(cè)面和1臺(tái)頂部的高清CCD相機(jī)，6臺(tái)相機(jī)固定在一個(gè)防塵防水的金屬機(jī)械殼中，以10 fps的采集速度移動(dòng)采集數(shù)據(jù)。從6個(gè)方向得到真實(shí)的圖像，并通過自身的拼接軟件實(shí)時(shí)完成圖像的處理、拼接和校正，將多臺(tái)相機(jī)采集的圖像組合成一幅高分辨率數(shù)字全景的圖像。

差分定位系統(tǒng)（DGPS）是在位置已精確測(cè)定的一個(gè)或多個(gè)已知點(diǎn)上安裝GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站并和用戶同時(shí)進(jìn)行GPS觀測(cè)，采集GPS數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的偽距，比較偽距與已知的精確距離數(shù)據(jù)，計(jì)算得出觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量誤差，基準(zhǔn)站向觀測(cè)點(diǎn)發(fā)布測(cè)量誤差修正值，觀測(cè)點(diǎn)依據(jù)修正數(shù)據(jù)改正觀測(cè)值，提高本觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)精度。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)硬件平臺(tái)集成了以上技術(shù)和設(shè)備，結(jié)合控制電路，形成數(shù)據(jù)采集、分析、融合、高速輸出的硬件平臺(tái)。

2.2 后處理軟件平臺(tái)

后處理軟件平臺(tái)按應(yīng)用軟件可分成3類。1）數(shù)據(jù)采集類和預(yù)處理類軟件，包括航線規(guī)劃、線路規(guī)劃、機(jī)載/車載集成操控軟件、軌跡數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)融合糾偏軟件等。2）數(shù)據(jù)處理軟件，包括點(diǎn)云處理軟件。3）生產(chǎn)及發(fā)布軟件，包括專題測(cè)圖軟件、街景數(shù)據(jù)生產(chǎn)軟件、三維全景發(fā)布平臺(tái)軟件、三維激光數(shù)字測(cè)圖軟件和城市點(diǎn)云三維建模軟件等。

2.3 載體平臺(tái)

載體平臺(tái)包括動(dòng)力三角翼、直升機(jī)、無人機(jī)、汽車、摩托車、人背等載體平臺(tái)。大面積地測(cè)量使用三角翼、直升機(jī)搭載。禁飛區(qū)、城市、道路使用汽車、摩托車搭載。細(xì)部及室內(nèi)測(cè)量采用人背儀器的方式進(jìn)行測(cè)量。通過搭載方式的轉(zhuǎn)換可以使三維掃描系統(tǒng)在測(cè)繪生產(chǎn)中得到全面應(yīng)用。

3 主要成果

3.1 三維立體模型

通過激光點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)以及機(jī)載航拍獲取的DOM和立體像為數(shù)據(jù)等輔助構(gòu)建被測(cè)物體（如建筑、道路、地形等）建立精細(xì)模型。配合3DMax平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)管理，以此來支持激光點(diǎn)云、全景、DOM、DLG、模型、紋理數(shù)據(jù)等工程管理。

3.2 三維實(shí)景

通過對(duì)全景相機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，然后通過點(diǎn)云的建筑物面片采集、深度圖制作、全景影像的人臉車牌模糊、全景影像切片等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，用專業(yè)應(yīng)用發(fā)布平臺(tái)發(fā)布。例如谷歌地圖、百度地圖、騰訊地圖等都使用了該成果。

3.3 數(shù)字高程模型（DEM）

在經(jīng)過點(diǎn)云粗分類到精分類流程后，通過軟件按照格網(wǎng)間距自動(dòng)生成DEM，再經(jīng)過人工的編輯和修改，形成高精度數(shù)字高程模型（DEM）。

3.4 正射影像圖（DOM）

由系統(tǒng)中搭載航測(cè)相機(jī)采集正射影像圖數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)字線劃圖（DLG）

采用正射影像圖DOM通過立體采集的方法得到DLG，是航攝技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一種方法，技術(shù)十分成熟。三維激光掃描系統(tǒng)的加入，讓DLG在生產(chǎn)過程中有點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為參考和檢查，對(duì)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少外業(yè)核查工作量有極大的幫助。

為了不斷滿足測(cè)繪應(yīng)用市場(chǎng)擴(kuò)大的需求使各種專題測(cè)繪成果數(shù)據(jù)得以開發(fā)和應(yīng)用，筆者只列舉了目前較為常用且基礎(chǔ)的幾類數(shù)據(jù)，以供參考。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于地理信息（GIS）采集、街景地圖制作、安防監(jiān)控、體驗(yàn)式娛樂、電力巡檢、洪水分析、公路勘測(cè)設(shè)計(jì)、鉆孔勘探、森林普查、海岸島礁測(cè)量、挖填方計(jì)算、考古調(diào)查與測(cè)繪、應(yīng)急測(cè)量和地形測(cè)繪等領(lǐng)域。

5 結(jié)語

近幾年來，三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)憑借集成化程度高、生產(chǎn)效率高、周期短、成果類型豐富和應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)，受到測(cè)繪行業(yè)和用戶的追捧。目前，其主要部件都是國外生產(chǎn)，售價(jià)較貴，一定程度上阻礙了在國內(nèi)的應(yīng)用。國內(nèi)高新企業(yè)的加入加快了它的研發(fā)與生產(chǎn)進(jìn)度，不久的將來，自主研發(fā)的三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)就能在測(cè)繪生產(chǎn)得以廣泛運(yùn)用，這將給我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、空間數(shù)據(jù)發(fā)展和測(cè)繪行業(yè)的更新?lián)Q代帶來深遠(yuǎn)影響。

參考文獻(xiàn)

[1]哈志強(qiáng)，袁兵，林文修，等.三維激光掃描技術(shù)在石寶寨測(cè)繪中的應(yīng)用[J].重慶建筑，2019，18（6）：16-17.

[2]高東志.三維地形測(cè)繪巧用三維激光掃描、無人機(jī)航測(cè)[J].建筑工人，2018，39（8）：10-12.

[3]王漢辰.三維激光掃描技術(shù)在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用[J].人文天下，2017（20）：38-40.