三維激光掃描技術(shù)在汝箕溝煤田地形測繪中的應用

董 毅

（重慶市勘測院）

地形測繪主要分為2個方面，顧名思義，一是測，即測量，二是繪，即繪圖。在進行地形測繪的時候，這2個方面基本都是同時進行的［1-2］。我國地理環(huán)境是相當復雜的，所以在進行某一項工程施工之前，地形測量這一步基本是不可省去的。實際上，地形測繪的應用范圍是非常廣泛的，并不局限于建筑和道路建設。事實上，地球上的許多人類活動都離不開地形測繪，例如交通運輸、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等許多方面，這些人類活動都在一定程度上或多或少地依賴著地形測繪［3-4］。隨著經(jīng)濟的繁榮發(fā)展，科學技術(shù)的進步，人們對于客觀世界的認識水平不斷提高的同時，改造地球的能力也在逐漸提高，這就對于信息的采集和提取的要求更加詳細、精確。傳統(tǒng)的地形測繪技術(shù)已經(jīng)沒有辦法滿足現(xiàn)代發(fā)展的需要，這時三維激光掃描技術(shù)應運而生，這一技術(shù)不僅可以收集更為詳細的信息，其處理分析信息的能力也是一流，還可以存檔，受到了科研人員的一致好評，廣泛應用于各種建設活動。

1 三維激光掃描在地形測繪中的優(yōu)勢分析

三維激光掃描技術(shù)跟傳統(tǒng)的測繪技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢，具體如下。

（1）三維激光掃描儀能夠迅速獲取測量對象的三維數(shù)據(jù)，這就極大提高了收集外業(yè)數(shù)據(jù)的速度，工作效率得到了極大提高，跟之前的測繪技術(shù)相比，它不僅減少了測量所花費的時間，還為數(shù)據(jù)的更新提供了便利［5-6］。

（2）三維激光掃描儀每次掃描可以獲取被掃描目標的大范圍空間信息，還能夠?qū)崟r探查被測量物體表面的三維數(shù)據(jù)。

（3）三維激光掃描儀不受光照、氣壓等外部因素的約束，可以全天候?qū)y量對象進行實時的動態(tài)探測。

（4）該系統(tǒng)在測量時是通過發(fā)送和接受脈沖信號來獲取測量物體的表面信息，無需采取任何表面處理，尤其當測量對象位于危險區(qū)域時，這一優(yōu)勢更加凸顯出來。

（5）三維激光掃描技術(shù)采集的信息基本都是以數(shù)字的形式呈現(xiàn)，并且易于自動化顯示輸出。

2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集過程分析

2.1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描地形測繪技術(shù)不再像傳統(tǒng)的測繪技術(shù)那樣繁瑣復雜，采用的是激光掃描的方法，得出被測量對象的二維坐標信息，這種測量方式基本可以測量出任意位置和任意細節(jié)的信息［7］。

2.2 三維激光掃描地形測繪數(shù)據(jù)采集過程

三維激光掃描分為機載掃描和地面掃描2種方式，根據(jù)本次所選測區(qū)的實際情況，這里僅簡要闡述地面三維激光掃描地形測繪點云數(shù)據(jù)的采集過程［8］，其點云數(shù)據(jù)的獲取過程如圖1所示。

2.3 點云數(shù)據(jù)的處理

相較于傳統(tǒng)的地形測繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)采集到的原始點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復雜，必須對原始點云數(shù)據(jù)進行一系列處理，剔除原始數(shù)據(jù)中的冗余點后，才能用來進行模型構(gòu)建及地形圖繪制，具體數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

3 三維激光掃描技術(shù)實際工程應用

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于賀蘭山北段腹地汝箕溝煤田陰坡大嶺灣采區(qū)，測區(qū)長為2.6 km，寬為1.9 km，呈矩形，面積為4.94 km2。陰坡大嶺灣采區(qū)四至概略坐標如表1所示。

?

通過前期測區(qū)現(xiàn)場實際勘察，發(fā)現(xiàn)本次施測區(qū)域內(nèi)的地形較為復雜且起伏較大。針對測區(qū)地形復雜、起伏較大的實際情況，有針對性地制定了施測方案，主要包括控制點布設、定向標記、數(shù)據(jù)掃描采集、數(shù)據(jù)處理等方案實施部分。

3.2 數(shù)據(jù)獲取及預處理

（1）點云數(shù)據(jù)的拼接。由于測區(qū)現(xiàn)場不同因素的影響，三維激光掃描儀在不同測站所采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接、坐標轉(zhuǎn)換之后才能整合到一起。當前，點云數(shù)據(jù)拼接所能應用的方法較多。根據(jù)本次所施測測區(qū)的具體情況，對三維掃描儀各測站所采集到的原始點云數(shù)據(jù)選擇應用公共標靶法進行拼接。

（2）點云數(shù)據(jù)的去噪和平滑處理。在實際應用三維激光掃描儀采集測區(qū)地形點云數(shù)據(jù)時，由于掃描式的數(shù)據(jù)采集方式，測區(qū)內(nèi)地表存在的礫石、雜草及其他因素會在一定程度上影響地形點云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，導致所采集到的地形點云數(shù)據(jù)含有不同程度的噪聲。對于這些地形點云數(shù)據(jù)中含有的噪聲，必須對其進行去除，否則會對模型構(gòu)建精度、地形圖繪制質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。目前，測區(qū)地形點云數(shù)據(jù)常采用手動去除的方法進行去噪，但是采用手動方法無法完全去除點云數(shù)據(jù)含有的噪聲。因此，若要最大程度地去除點云數(shù)據(jù)含有的噪聲，還需通過數(shù)據(jù)平滑的方式對點云數(shù)據(jù)進行再次處理。圖3為經(jīng)過平滑處理后的點云數(shù)據(jù)示意圖。

（3）點云數(shù)據(jù)的抽稀壓縮。相較于其他地形測繪方法，由于三維激光掃描技術(shù)采用分站式掃描的數(shù)據(jù)采集方法，在一定掃描半徑內(nèi)會采集到大量地形數(shù)據(jù)，這就導致了三維激光掃描儀所采集到的原始點云數(shù)據(jù)冗余量非常大，不便于后續(xù)點云數(shù)據(jù)的處理、存儲及傳輸。因此，要通過壓縮與抽稀的方法大大減少大量冗余的原始點云數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)的處理。經(jīng)抽稀壓縮后的點云數(shù)據(jù)示意圖如圖4所示。

（4）修補點云數(shù)據(jù)空洞。由于測站假設、儀器掃描精度誤差及其他外界因素的影響，在應用三維激光掃描儀進行地形測繪時，無法將掃描半徑范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)全部采集進去，會使所采集到的地形數(shù)據(jù)在一定程度上存在空洞。所以在對點云數(shù)據(jù)進行處理時，還要對點云空洞進行修補。根據(jù)本次所施測測區(qū)的實際情況，采用全部填充的方法對點云數(shù)據(jù)所存在的空洞進行修補。在本次施測地形的點云數(shù)據(jù)中，對較小空洞進行修補，圖5、圖6分別為點云數(shù)據(jù)修補前及經(jīng)修補后的示意圖。

4.3 點云數(shù)據(jù)建模及地形圖繪制

當前，點云數(shù)據(jù)的建模方法有2種：一種是基于三維點陣方法的數(shù)學建模，另一種是基于規(guī)則格網(wǎng)化建模。在點云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方面，上述2種建模方法有著各自的優(yōu)勢及局限性，在實際點云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過程中，要根據(jù)實際情況進行建模方法的選擇。根據(jù)本次所施測測區(qū)的實際情況，選擇應用規(guī)則格網(wǎng)化的建模方法對所采集到的點云數(shù)據(jù)進行模型構(gòu)建。

地貌和地物是進行測區(qū)地形線化圖繪制所要考慮的兩大主要地形元素，進行線化圖繪制時要根據(jù)測區(qū)實際地形情況選擇所要繪制的地形元素。本次所施測的測區(qū)大部分區(qū)域?qū)倨教沟匦?，局部區(qū)域地形起伏較大，且整個區(qū)域內(nèi)地物相對較少。因此，在進行測區(qū)地形線化圖繪制時僅考慮了地貌元素，且通過三維等高線的形式進行繪制。本次等高線繪制采用通過Geomagic Studio 12將所采集到的點云數(shù)據(jù)導入CASS中來實現(xiàn)，繪制完成的等高線如圖7所示。

4.4 三維激光掃描地形測繪成圖質(zhì)量評價

將用三維激光掃描儀通過掃描測量的方式得出的點三維坐標和使用全站儀測量的三維坐標進行計算和對比，不僅要計算出這些點的高程誤差，還要計算出這些點的平面誤差，通過對比來評價和驗證三維激光掃描地形測繪的成圖質(zhì)量，并對一些測圖質(zhì)量檢測點進行布設，其中的10個點布設在了地形起伏比較大的區(qū)域，有5個點布設在了平坦緩坡區(qū)域，并將全站儀所測的點位坐標作為此次地形測量的真值。全站儀所測坐標數(shù)據(jù)如表2所示，三維激光掃描儀所測坐標經(jīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)如表3所示。

通過對以上坐標數(shù)據(jù)進行計算，再結(jié)合表2和表3的數(shù)據(jù)對比分析可以看出，這些檢測點的高程誤差小于3 cm，平面坐標的誤差低于5 cm，因此可以得出用三維激光掃描儀通過掃描測量的方式得出的點三維坐標的精度完全可以滿足要求。

?

?

5 結(jié)論

本研究簡要描述了三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應用，通過與傳統(tǒng)地形測繪技術(shù)的對比，闡述了三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應用優(yōu)勢，并以汝箕溝煤田陰坡大嶺灣采區(qū)實際地形測繪為依托，闡述了三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的具體應用。為了驗證三維激光掃描地形測繪的準確性，隨機抽查了其中一些控制點的數(shù)據(jù)進行對比核驗，有力證明了三維激光掃描地形測繪的實用性。三維激光掃描技術(shù)憑借其跟傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比的眾多優(yōu)勢，在如今的地形測繪工作中發(fā)揮著相當重要的作用，具有廣闊的應用前景。