三維激光掃描技術(shù)在地理測繪中的優(yōu)勢與應(yīng)用

胡明明 江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六五大隊

一、三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)末出現(xiàn)的一項新的激光應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)突破了GPS 測繪技術(shù)的局限，被看作是測繪技術(shù)的一次重大革命。三維激光掃描技術(shù)所用的是激光測距，通過對目標(biāo)進(jìn)行激光照射，通過分析密集的三維坐標(biāo)所反映出的各種紋理、反射等相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，快速地將數(shù)據(jù)信息整合形成具備點、線、面、體的綜合式圖件數(shù)據(jù)集合，以便于分析被測目標(biāo)的幾何構(gòu)造和內(nèi)部情況。三維激光掃描主要分為地面掃描儀和機(jī)載掃描儀，在地形測繪、工程測繪、變形監(jiān)測等方面應(yīng)用較多。三維激光掃描測繪的系統(tǒng)，主要由內(nèi)置相機(jī)和采集器、電源構(gòu)件、處理軟件和其他零部件組成，其中主要功能實現(xiàn)的部件包括了激光發(fā)射與接收器、可控濾光鏡、時間計數(shù)器、集成控制電路、微電腦、操作系統(tǒng)和其他軟件等。由激光發(fā)射器進(jìn)行周期式脈沖發(fā)送，反射后的信號數(shù)據(jù)由接收器識別接收，由石英鐘式的時間校準(zhǔn)器完成時差對接和校正，經(jīng)精密計數(shù)后由系統(tǒng)集中處理和識別并獲得初始掃描測繪數(shù)據(jù)，最終經(jīng)計算和模型構(gòu)建形成X、Y、Z 三維圖件，X 為軸向垂直，Y和Z 為橫向面垂直。其中基本計算方式為：X=Scosθcosa，Y=Scosθsina，Z=Ssinθ。在計算完畢坐標(biāo)點位信息之后，結(jié)合相機(jī)數(shù)據(jù)分析的紋理、外形、邊緣等信息數(shù)據(jù)，為最后的建模進(jìn)行校正，確定最終的三維數(shù)字化模型。

二、三維激光掃描技術(shù)在地理測繪中的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的地理測繪技術(shù)主要有GNSS、RTK、GPS 等作為基礎(chǔ)，依靠全站儀結(jié)合衛(wèi)星定位實時測繪，在野外地理測繪時多由人工實地布點，對被測目標(biāo)的特征進(jìn)行單獨測繪，再根據(jù)上傳的局部信息進(jìn)行整合，生成CAD 等形式的二維式圖件，雖然能夠?qū)Ρ粶y目標(biāo)進(jìn)行相對全面的描繪，但實際上存在一定的不足，在測繪結(jié)果上會表現(xiàn)出圖像模型精準(zhǔn)度不高、不能直觀表現(xiàn)出被測目標(biāo)特征的全貌等問題。

三維激光掃描技術(shù)可以有效地完成長短距離的測繪需求，其中脈沖式的測繪技術(shù)，可以完成6km 內(nèi)的高質(zhì)量測繪任務(wù)，測繪過程不需要實地布點即可實現(xiàn)，由此縮減了工作難度和工作量。在融合傳統(tǒng)測繪技術(shù)的基礎(chǔ)上，采集以目標(biāo)點周邊全范圍的連續(xù)數(shù)據(jù)信息，不僅能夠有效建立三項坐標(biāo)下的立體圖像模型，還能結(jié)合顏色信息、反射率等對模型進(jìn)行完善，數(shù)據(jù)在整理、拼湊、過濾后，還能除去漏洞，形成復(fù)雜地形下的等高線和特殊地形表示，從而更加直觀地展現(xiàn)地理特征。在測量速度方面，三維激光掃描技術(shù)逐步由1000 點/s 的測繪速度成功進(jìn)化到50000 點/s 的脈沖掃描速度，而先進(jìn)的相位掃描儀器，掃描速度甚至達(dá)到了百萬級的速度，由此在應(yīng)對超大范圍的測繪時，可能快速完成任務(wù)獲取基本地理信息。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，采集數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)在線采集、傳輸和云存儲，實現(xiàn)地理測繪數(shù)據(jù)的共享，為包括虛擬實景等采樣與成模提供有效幫助。因此三維激光掃描技術(shù)實際上具有低資源消耗、高效率、高精準(zhǔn)度、多應(yīng)用方向的優(yōu)勢。

三、三維激光掃描技術(shù)在地理測繪中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用方案

為了保證三維激光掃描技術(shù)在地理測繪中的效果，對測繪流程進(jìn)行細(xì)致安排，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型生成三大主要流程，對被測繪區(qū)域采用抽查圖像法對比地形圖，檢查點云和測繪站點的坐標(biāo)位置，并在大地圖中進(jìn)行比對和修正，最后根據(jù)測繪點數(shù)據(jù)和大比例尺，確認(rèn)位置、高程、相對位置、外形和走勢等精準(zhǔn)信息。

（二）數(shù)據(jù)采集

對被測區(qū)域進(jìn)行綜合考察，選擇適當(dāng)?shù)奈恢冒仓脪呙鑳x、標(biāo)靶等關(guān)鍵測繪點組成，點位的選取應(yīng)當(dāng)位于開闊或較高的位置以增加掃描的覆蓋范圍，并且所有點應(yīng)當(dāng)完全覆蓋被測區(qū)域，且可以對特殊地形地勢進(jìn)行精準(zhǔn)測繪（溝壑、斷面）。除了關(guān)鍵點位掃描外，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置2-5 個輔助標(biāo)靶，通過對不同標(biāo)靶的掃描集中采集的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行同位數(shù)據(jù)綜合辨識，以測繪中心位置的數(shù)據(jù)為核心。同時配備全站儀、GPS 定位裝置、RTK 等對測繪中心和標(biāo)靶的地理空間位置進(jìn)行標(biāo)注，以獲取三維坐標(biāo)的基礎(chǔ)點位。

（三）數(shù)據(jù)處理

點云校準(zhǔn)是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)對較大的區(qū)域進(jìn)行分化，單獨的區(qū)域測繪站數(shù)量控制在5-15 個，對分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和坐標(biāo)校正，中心板塊應(yīng)當(dāng)選擇較為開闊的測繪點，以中心位置為基礎(chǔ)逐一完成拼接工作和校正處理，單一區(qū)域在拼接時應(yīng)當(dāng)依據(jù)上一板塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)調(diào)整，拼接點應(yīng)當(dāng)≥4個，差值控制在2cm 內(nèi)，可選擇ICP 等算法強(qiáng)化拼接效果，在超大區(qū)域的拼接中，中心點位應(yīng)當(dāng)選擇多個，降低坐標(biāo)誤差。

（四）模型生成

地面三維激光掃描時為獲得詳細(xì)的地面信息，一般掃描密度較大，相對地形測繪來講其點位太密，且分布不均勻。直接利用掃描點來構(gòu)三角網(wǎng)追蹤等值線，由于其細(xì)節(jié)信息過多，會導(dǎo)致等高線紊亂。因此一般將剔除非地貌因素后的點云數(shù)據(jù)按地形測繪要求的密度進(jìn)行抽稀。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測圖軟件中，自動生成等高線。將成型的帶等高線地圖進(jìn)行疊加，并去除地物生成下的多余邊緣，對缺失部分進(jìn)行修復(fù)，結(jié)合點云數(shù)據(jù)手動修復(fù)至圖像光滑順暢，對圖像中的高程、輪廓、局部紋理等進(jìn)行修飾，最終生成完整的測繪三維模型。

四、總結(jié)

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為當(dāng)前地理測繪工作帶來了優(yōu)勢輔助，通過當(dāng)前的應(yīng)用實踐可以看出，三維激光掃描技術(shù)能夠有效彌補地理測繪中的不足之處，并且在節(jié)約資源消耗、減少工作量、降低工作失誤等方面有著明顯效果。隨著地理測繪工作的不斷開展，工作的內(nèi)容和要求必然會發(fā)生變化，因此未來將如何根據(jù)實際需求不斷完善三維激光掃描技術(shù)將會是一個長久的課題。