三維激光掃描技術在地理測繪中的優(yōu)勢與應用

胡明明 江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六五大隊

一、三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是20 世紀末出現(xiàn)的一項新的激光應用技術，該技術突破了GPS 測繪技術的局限，被看作是測繪技術的一次重大革命。三維激光掃描技術所用的是激光測距，通過對目標進行激光照射，通過分析密集的三維坐標所反映出的各種紋理、反射等相關信息和數(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的幾何構造和內(nèi)部情況。三維激光掃描主要分為地面掃描儀和機載掃描儀，在地形測繪、工程測繪、變形監(jiān)測等方面應用較多。三維激光掃描測繪的系統(tǒng)，主要由內(nèi)置相機和采集器、電源構件、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。在計算完畢坐標點位信息之后，結合相機數(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、三維激光掃描技術在地理測繪中的優(yōu)勢

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

三維激光掃描技術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，可以完成6km 內(nèi)的高質(zhì)量測繪任務，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)測繪技術的基礎上，采集以目標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下的立體圖像模型，還能結合顏色信息、反射率等對模型進行完善，數(shù)據(jù)在整理、拼湊、過濾后，還能除去漏洞，形成復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，三維激光掃描技術逐步由1000 點/s 的測繪速度成功進化到50000 點/s 的脈沖掃描速度，而先進的相位掃描儀器，掃描速度甚至達到了百萬級的速度，由此在應對超大范圍的測繪時，可能快速完成任務獲取基本地理信息。在大數(shù)據(jù)技術的支持下，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實際上具有低資源消耗、高效率、高精準度、多應用方向的優(yōu)勢。

三、三維激光掃描技術在地理測繪中的應用

（一）應用方案

為了保證三維激光掃描技術在地理測繪中的效果，對測繪流程進行細致安排，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位置，并在大地圖中進行比對和修正，最后根據(jù)測繪點數(shù)據(jù)和大比例尺，確認位置、高程、相對位置、外形和走勢等精準信息。

（二）數(shù)據(jù)采集

對被測區(qū)域進行綜合考察，選擇適當?shù)奈恢冒仓脪呙鑳x、標靶等關鍵測繪點組成，點位的選取應當位于開闊或較高的位置以增加掃描的覆蓋范圍，并且所有點應當完全覆蓋被測區(qū)域，且可以對特殊地形地勢進行精準測繪（溝壑、斷面）。除了關鍵點位掃描外，還應當設置2-5 個輔助標靶，通過對不同標靶的掃描集中采集的數(shù)據(jù)，以便進行同位數(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 等對測繪中心和標靶的地理空間位置進行標注，以獲取三維坐標的基礎點位。

（三）數(shù)據(jù)處理

點云校準是數(shù)據(jù)處理的基礎，應當對較大的區(qū)域進行分化，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)進行拼接和坐標校正，中心板塊應當選擇較為開闊的測繪點，以中心位置為基礎逐一完成拼接工作和校正處理，單一區(qū)域在拼接時應當依據(jù)上一板塊的數(shù)據(jù)進行坐標調(diào)整，拼接點應當≥4個，差值控制在2cm 內(nèi)，可選擇ICP 等算法強化拼接效果，在超大區(qū)域的拼接中，中心點位應當選擇多個，降低坐標誤差。

（四）模型生成

地面三維激光掃描時為獲得詳細的地面信息，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三角網(wǎng)追蹤等值線，由于其細節(jié)信息過多，會導致等高線紊亂。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行抽稀。最后將數(shù)據(jù)導入到大比例尺數(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行疊加，并去除地物生成下的多余邊緣，對缺失部分進行修復，結合點云數(shù)據(jù)手動修復至圖像光滑順暢，對圖像中的高程、輪廓、局部紋理等進行修飾，最終生成完整的測繪三維模型。

四、總結

三維激光掃描技術的出現(xiàn)，為當前地理測繪工作帶來了優(yōu)勢輔助，通過當前的應用實踐可以看出，三維激光掃描技術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將會是一個長久的課題。