基于三維激光掃描技術(shù)的城市大比例尺數(shù)字測圖研究

魏士春

【摘 要】三維激光掃描技術(shù)以其快速、非接觸性、高密度、高精度等特點在測繪作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，論文簡述了城市大比例尺測圖現(xiàn)狀，探討了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市大比例尺地形圖測繪作業(yè)中的方法及步驟，總結(jié)了作業(yè)過程中的關(guān)鍵注意事項，通過試驗證實了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市大比例尺測圖中的可行性。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù);大比例尺地形圖測繪;點云配準(zhǔn);矢量化

【中圖分類號】F222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）01-0191-04

1 引言

當(dāng)今城市發(fā)展日新月異，城市街道兩側(cè)遍布高樓大廈，為滿足城市規(guī)劃建設(shè)需要，迫切需要對城市進(jìn)行大比例尺地形圖測繪工作，然而，遍布城市的高樓大廈建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，加之城市中車輛、人流較多，商鋪林立，給地形測圖工作帶來了很大困難，傳統(tǒng)的測繪作業(yè)模式已不能滿足當(dāng)前測繪工作的需要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的較為成熟的技術(shù)，其自身的諸多優(yōu)勢，為測繪行業(yè)帶來了新的技術(shù)突破。

2 當(dāng)前城市大比例尺測圖現(xiàn)狀

就我國目前情況來看，大多數(shù)城市及地區(qū)均已對城市建成區(qū)進(jìn)行了大比例尺地形圖測繪并建立了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，在數(shù)字城市建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃管理等工作中發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著城市發(fā)展的日新月異，特別是近幾年城市建設(shè)的突飛猛進(jìn)，城市面貌煥然一新，原有地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性及更新速度已跟不上城市建設(shè)的步伐，因此，如何實現(xiàn)城市大比例尺地形圖的快速更新工作就顯得尤為重要和迫切。如何快速高效地實現(xiàn)數(shù)字地形圖更新是測繪工作的重要考慮因素。當(dāng)前，大比例尺地形圖測繪方法主要有以下幾種：

①全站儀法：本方法是數(shù)字地形圖測繪最常用的作業(yè)模式，該方法利用全站儀野外設(shè)站逐點采集目標(biāo)點的坐標(biāo)值，配合電子平板或者手繪草圖的方法測繪地形圖，該方法的優(yōu)點是設(shè)站靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，缺點是需要逐點測繪、內(nèi)外業(yè)工作量較大、對作業(yè)人員素質(zhì)要求較高、比較費時且作業(yè)效率不高。

②GNSS RTK法：本方法是利用RTK連接基準(zhǔn)站或者GNSS CORS站等作業(yè)模式直接采集目標(biāo)點的坐標(biāo)配合電子平板或者手繪草圖的方法進(jìn)行作業(yè)，該方法較全站儀法采集點更加便捷，但是由于受周圍環(huán)境影響較大，遇到信號遮擋等情況將無法作業(yè)，特別是城市大比例尺測圖中，受周圍建筑物及樹木遮擋嚴(yán)重，該方法基本無法使用。

③無人機(jī)航測法：該方法是近幾年新興的低空航測測繪方法，其具有機(jī)動靈活、高效快速、作業(yè)成本低等諸多優(yōu)點，但從實際應(yīng)用效果來講，其并不適用于城市大比例尺地形圖測繪項目，無人機(jī)航測空域申請在城市建成區(qū)申請較為困難，其測繪精度根本無法滿足大比例尺測圖的需要。

3 三維激光掃描測量方法簡介

三維激光掃描測量的方法就是大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它屬于一種立體測量技術(shù)，又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是繼全球定位系統(tǒng)技術(shù)之后又一項測繪技術(shù)新突破[1]。與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，它能完成對復(fù)雜物體的測量，它的特點就是快速性、不接觸性、實時、動態(tài)、高密度、高精度獲取地面的三維信息[2]。

三維激光掃描儀主要是一部快速準(zhǔn)確的激光測距儀加上一組可導(dǎo)引激光，以等速度掃描的反光棱鏡加高清攝像機(jī)組成。從掃描的空間位置或系統(tǒng)運行平臺來劃分，可分為手持式激光掃描儀、地面型三維激光掃描儀、機(jī)載型三維激光掃描儀，在城市大比例尺地形圖測繪作業(yè)中一般應(yīng)用地面型三維激光掃描儀。激光測距儀采用脈沖式測量，可以在主動發(fā)射激光的同時接收來自自然物體的反射信號并進(jìn)行測距，針對每一掃描點可測得測站至掃描點的斜距，配合掃描的水平角和豎直角，可以求得每一掃描點與測站點之間的坐標(biāo)差，若測站點和一個定向點的坐標(biāo)為已知值，則可以求得每一掃描點的三維坐標(biāo)。

三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計、數(shù)字城市以及軍事分析等領(lǐng)域也有了很多應(yīng)用。其技術(shù)優(yōu)勢有以下幾點：

①非接觸測量。三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測量，對掃描目標(biāo)物探不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的空間三維數(shù)據(jù)且真實可靠?？梢杂糜诮鉀Q危險目標(biāo)、環(huán)境（或柔性目標(biāo)）及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢。

②數(shù)據(jù)采樣率高。三維激光掃描儀可以達(dá)到數(shù)十萬點/秒，采樣速率是傳統(tǒng)測量方法難以比擬的。

③主動發(fā)射掃描光源。三維激光掃描技術(shù)采用主動發(fā)射掃描光源（激光），通過探測自身發(fā)射的激光回波信號來獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息，因此，在掃描過程中，可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時間和空間的約束。

④高分辨率、高精度。三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)，可以對掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

⑤數(shù)字化采集，兼容性好。三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享。

⑥可與GPS系統(tǒng)配合使用。這些功能大大擴(kuò)展了三維激光掃描技術(shù)的使用范圍，使其對信息的獲取更加全面、準(zhǔn)確。內(nèi)置數(shù)碼攝相機(jī)的使用，增強(qiáng)了彩色信息的采集，使掃描獲取的目標(biāo)信息更加全面。GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用使得三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，與工程的結(jié)合更加緊密，近一步提高了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 三維激光掃描測量作業(yè)方法

用三維激光掃描儀以每秒約1百萬個點的掃描速度，對被掃物體進(jìn)行快速高效的掃描，迅速得到被掃物體的各點三維坐標(biāo)，得到反映被掃物體空間位置信息的點云數(shù)據(jù)。將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，通過專業(yè)大數(shù)據(jù)處理軟件及快速加載等技術(shù)的處理，將海量數(shù)據(jù)瞬間加載，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，就可以得到被掃物體立體的三維模型。

4.1 測區(qū)踏勘

首先要對測區(qū)進(jìn)行實地踏勘，了解整個測區(qū)的概況，初步劃分掃描作業(yè)區(qū)域，同時收集測區(qū)內(nèi)已有的地形圖、控制點等成果資料，另外，在測區(qū)內(nèi)尋找可利用的外接電源，以便為掃描儀提供外接電源。

4.2 控制點布設(shè)

要在測區(qū)的有效觀測范圍內(nèi)布設(shè)足夠數(shù)量的控制點，各控制點間要保證至少與一個點通視，各點間的距離大致相等，以間距150～200m為宜，控制點應(yīng)選擇在利于安置儀器且不易受外界環(huán)境影響的地方。將GPS定位和三維激光掃描儀測量結(jié)合起來，可將三維激光掃描成果轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系中[3]。布設(shè)控制點的目的就是利用其實現(xiàn)將點云數(shù)據(jù)的掃描坐標(biāo)系到絕對坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換?？刂泣c布設(shè)方法有GNSS RTK法及全站儀導(dǎo)線法，控制點的精度決定了點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系的精度。

4.3 點云采集

在控制點附近選擇適當(dāng)位置設(shè)站采集點云數(shù)據(jù)。掃描站點必須選擇在平坦、穩(wěn)定的地方，嚴(yán)禁在路上的非固定石板、石塊、雜草叢生或者土質(zhì)松軟處安置儀器，在保證精度的情況下，每個掃描站點應(yīng)能最大限度地掃描目標(biāo)場景，并且盡量保證每個掃描站點上無被遮擋區(qū)域，受周圍人員、車輛等影響較小。根據(jù)測量要求和實際情況，在測區(qū)內(nèi)布設(shè)標(biāo)靶。標(biāo)靶應(yīng)布設(shè)在不同掃描區(qū)域內(nèi)的重疊區(qū)內(nèi)，至少要布設(shè)3個以上的標(biāo)靶，各個標(biāo)靶不能布設(shè)在一條直線上，標(biāo)靶的高度盡量與設(shè)站高度相當(dāng)。設(shè)站點與目標(biāo)點距離不宜大于150m，為了滿足各站點云數(shù)據(jù)拼接的需要，相鄰兩站之間至少要保證4個同名點，為了使標(biāo)靶在點云上判讀起來更清晰，要控制在距離設(shè)站點30m以內(nèi)。

在掃描站點上安置好儀器并設(shè)置好掃描分辨率等參數(shù)開始掃描，當(dāng)使用標(biāo)靶進(jìn)行點云配準(zhǔn)時，應(yīng)對標(biāo)靶進(jìn)行高分辨率掃描，以確保靶心坐標(biāo)的提取精度。掃描過程中應(yīng)盡可能避免人員走動，以減少儀器震動引起的掃描異常。每站掃描結(jié)束后，應(yīng)現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，判斷是否有遺漏和重復(fù)掃描區(qū)域，檢查標(biāo)靶的空間采樣率是否符合要求等。

在控制點上架設(shè)全站儀實測標(biāo)靶坐標(biāo)。標(biāo)靶定位的準(zhǔn)確性會直接影響到點云配準(zhǔn)的精度及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理精度。

4.4 點云處理

點云處理是三維激光掃描作業(yè)的重點，雖然地面三維激光掃描作業(yè)獲取數(shù)據(jù)速度非常快，但因其數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理需要花費大量時間，一般每種掃描儀都配備專用點云數(shù)據(jù)處理軟件。點云處理主要分為點云降噪、點云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點云化簡及三維建模等工作。原始點云數(shù)據(jù)中包含大量的噪聲，噪聲來源多種多樣，如非被測目標(biāo)物點、周圍震動引進(jìn)的掃描異常點等，可通過人工選擇刪除及軟件自動去除兩種方式消除噪聲。由于每一站所獲得的點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)均處于以當(dāng)前掃描站為基準(zhǔn)的掃描坐標(biāo)系下，為了得到整個區(qū)域的完整點云數(shù)據(jù)，必須將每站的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，可通過標(biāo)靶定位來實現(xiàn)點云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。地面激光掃描獲取的海量點云數(shù)據(jù)一方面能詳細(xì)描述被測物體特征，但另一方面也為數(shù)據(jù)處理帶來了很大困難，過多地占用計算機(jī)資源，造成數(shù)據(jù)處理緩慢，因此，需要刪除對作業(yè)任務(wù)無關(guān)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)簡化后以利于后續(xù)操作。

在城市大比例尺地形圖三維掃描作業(yè)中，建議采用基于控制點的單站配準(zhǔn)方法進(jìn)行多站點云配準(zhǔn)[4]，該方法由于與控制網(wǎng)相連，因此，能夠直接將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系中，具有精度高、誤差不積累、內(nèi)業(yè)處理時間短等優(yōu)點。該方法的作業(yè)步驟如下：首先在待掃描區(qū)域建立統(tǒng)一控制網(wǎng)，然后將待測區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，每一子區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)標(biāo)靶，標(biāo)靶個數(shù)不得少于三個。利用地面三維激光掃描儀對每一子區(qū)域進(jìn)行掃描，同時利用全站儀實測標(biāo)靶坐標(biāo)，得到標(biāo)靶在統(tǒng)一控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。提取標(biāo)靶在當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，利用標(biāo)靶的兩套坐標(biāo)，即可獲取每一子區(qū)域掃描儀坐標(biāo)與全站儀坐標(biāo)的變換參數(shù)。由于全站儀測得的標(biāo)靶坐標(biāo)已經(jīng)在一個統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下，因此，利用每一子區(qū)域的變換參數(shù)將每站掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下，就已構(gòu)成了在統(tǒng)一控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)，從而直接完成多站點云的配準(zhǔn)。

4.5 要素矢量化

以處理好的點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在專業(yè)軟件中采集相應(yīng)地物、地貌特征點進(jìn)行手動矢量化，矢量化完成后導(dǎo)出為DXF格式成果文件，方便導(dǎo)入CAD中。

將矢量化的DXF成果文件導(dǎo)入測圖專業(yè)軟件中進(jìn)行符號化、圖廓整飾等工作。

4.6 外業(yè)檢查

對成果圖進(jìn)行外業(yè)巡視檢查，對與實地不符的要素進(jìn)行修補更正，直至正確無誤。

5 應(yīng)用實例

重慶市沙坪壩區(qū)某新建小區(qū)，建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，園林綠化造型各異，如果采用傳統(tǒng)測繪方法難度較大，效率較低，采用地面三維激光掃描測繪作業(yè)可以快速高效地獲取測區(qū)三維地理信息數(shù)據(jù)。

首先經(jīng)過實地踏勘了解了測區(qū)的基本情況，利用重慶CORS系統(tǒng)采用GPS-RTK方式布設(shè)圖根控制點16個，控制點間距150m左右，采用徠卡高效一體化ScanStation C10三維激光掃描儀進(jìn)行三維激光掃描測繪作業(yè)，采用基于控制點的單站配準(zhǔn)模式進(jìn)行點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，根據(jù)測區(qū)范圍及掃描儀的視角，將整個測區(qū)劃分為8個子區(qū)域，在每個子區(qū)域中設(shè)置了8～15個標(biāo)靶，利用全站儀在控制點上實測各標(biāo)靶的坐標(biāo)，利用掃描儀在各個區(qū)域中進(jìn)行掃描，并對標(biāo)靶進(jìn)行精掃。內(nèi)業(yè)采用Cyclone7.1軟件進(jìn)行點云降噪、點云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點云化簡及矢量化等工作，利用南方測繪Cass9.2成圖軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯成圖并進(jìn)行外業(yè)檢核修改。經(jīng)試驗精度符合要求（見表1），作業(yè)效率相比傳統(tǒng)測繪方法提高5～8倍以上。

6 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市大比例尺測圖中，具有傳統(tǒng)測繪方法無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。經(jīng)實際驗證，采用基于控制點的單站配準(zhǔn)方法進(jìn)行多站點云配準(zhǔn)的地面三維激光掃描測繪技術(shù)是城市大比例尺地形圖測繪作業(yè)時比較可靠實用的作業(yè)模式。三維激光掃描測繪作業(yè)克服了傳統(tǒng)測繪方法單點測量、速度慢等缺點，極大地減少了外業(yè)測繪的難度及工作量，采集的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確可靠，采集數(shù)據(jù)信息豐富，能夠極大地提高測繪作業(yè)效率，地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為空間信息獲取提供了新的手段，應(yīng)用前景廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

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【3】徐源強(qiáng)，高井祥，王堅.GPS在三維激光掃描中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2010（9）：88.

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