三維激光掃描儀在城市地形測量中的應(yīng)用

文/吳軍 鄧云 贛州贛南測繪院 江西 贛州 341000

1 前言

三維激光掃描技術(shù)，主要是基于三維激光掃描儀的應(yīng)用，實(shí)際上是一種全自動高精度立體掃描技術(shù)手段，即實(shí)景復(fù)制技術(shù)。它采用非接觸主動測量方式獲得高精度三維信息數(shù)據(jù)，可24小時不間斷地對目標(biāo)對象進(jìn)行掃描，并將獲得的信息數(shù)據(jù)有效地轉(zhuǎn)換成可處理數(shù)據(jù)。該技術(shù)掃描速度快，具有主動性強(qiáng)、實(shí)時性強(qiáng)以及高精準(zhǔn)度和全數(shù)字化特點(diǎn)，同時其作業(yè)時間短，應(yīng)用成本低，輸出格式可與三維動畫、CAD軟件接口相連接。三維激光掃描技術(shù)在城市建設(shè)、地形檢測過程中的應(yīng)用非常廣泛，成功應(yīng)用案例不勝枚舉。

2 三維激光掃描儀在城市地形測量中的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 采集數(shù)據(jù)

用三維激光掃描儀對地形進(jìn)行測量，并用全站儀對控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。在此過程中，測角的精度選定為3″，同時測距的精度自±3 mm+2ppm左右。本文所研究的三維激光掃描技術(shù)測區(qū)，處于某市開發(fā)區(qū)地帶，掃描區(qū)域地形比較平坦，但是結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，地面雜草、植被較少，而且人流量較小。

（1）布設(shè)控制網(wǎng)

測區(qū)范圍內(nèi)獨(dú)立布設(shè)控制網(wǎng)，如圖1所示，其中K4是已知點(diǎn)，其平面坐標(biāo)為1000，1000米，高程500米。在測區(qū)范圍內(nèi)，經(jīng)全站儀測邊、測角，得到控制點(diǎn)坐標(biāo)，并且利用全站儀三角高程獲得控制點(diǎn)高程。

（圖1：控制點(diǎn)分布圖）

（2）三維掃描

地形測量過程中，掃描儀及相關(guān)設(shè)備需在K1點(diǎn)上，而且在測區(qū)范圍內(nèi)合適點(diǎn)安裝三個不在相同直線的藍(lán)白標(biāo)靶，并將其中的藍(lán)白標(biāo)靶安裝在控制點(diǎn)k5處。同時，將電源、掃描儀連接在一起，并且將電源開關(guān)打開，讓儀器自檢；對掃描儀、筆記本之間的通訊進(jìn)行記錄，然后啟動Cyclone軟件，并在此基礎(chǔ)上建立工程文件、數(shù)據(jù)庫，將掃描儀連接好，設(shè)置角度范圍，拍攝掃描區(qū)域。在參數(shù)設(shè)置后以后，對該地區(qū)進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確定位控制點(diǎn)上的標(biāo)靶，并對標(biāo)靶精細(xì)掃描；當(dāng)上述所有過程完成以后，將掃描儀轉(zhuǎn)架到k3位置，然后利用相同的方法進(jìn)行掃描。

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)

對于點(diǎn)云拼接而言，即整合多個測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這是利用掃描儀不同坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化統(tǒng)一過程。本文研究時，采用的是基于公共標(biāo)靶拼接方式，拼接后形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理時，主要是點(diǎn)云去噪、平滑以及抽稀壓縮和空洞修補(bǔ)等，這些均可通過采用Cyclone等軟件來完成。

2.3 繪制地形圖

（1）轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

實(shí)踐中可以看到，點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)以及高程的獲得，均建立在掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)紙上；地形圖采用獨(dú)立測量坐標(biāo)系，繪制用點(diǎn)云數(shù)據(jù)地形圖之前，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)、高程。同時，還要將三維掃描儀應(yīng)用過程中所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，有效地轉(zhuǎn)換至獨(dú)立測量坐標(biāo)系。比如，在平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中，建立基于三維掃描儀的平面坐標(biāo)系O-X1Y1，基于工程測量坐標(biāo)系O-X2Y2。采用四參數(shù)模型對平面坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中包括平移參數(shù)X0Y0，旋轉(zhuǎn)參數(shù)為 ，尺度變化為 。對于任一點(diǎn) 在兩坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別為（ ），（ ），二者之間的關(guān)系如下：

在式1中的平移、旋轉(zhuǎn)以及尺度變化參數(shù)計算過程中，至少要兩個已知平面點(diǎn)；如果超過兩個，則可采用最小二乘法擬合求解。采用最小二乘法，通過已知點(diǎn)平面坐標(biāo)值解轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將點(diǎn)云基于掃描儀平面坐標(biāo)值全部轉(zhuǎn)到基于工程測量坐標(biāo)系中，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（2）生產(chǎn)等高線

第一，點(diǎn)云采樣。點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常的大，本身研究過程中所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大約在14萬個左右。以曲率采樣為例，設(shè)定一個百分比值，利用軟件采樣最小二乘法對曲面曲率進(jìn)行計算，然后依次對所有曲率進(jìn)行計算；根據(jù)曲率大小對區(qū)間進(jìn)行劃分，并對點(diǎn)云精簡刪除，以此來獲得百分比、點(diǎn)云數(shù)值之間的乘積點(diǎn)值。

第二，繪制等高線。將采樣所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有效地導(dǎo)入cass之中，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建DTM模型，然后對等高距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，采用cass技術(shù)軟件，即可自動生成等高線，

2.4 驗證精度

本文所研究的實(shí)驗測區(qū)范圍內(nèi)，有8個檢核點(diǎn)均勻地布設(shè)在一起。在掃描過程中，檢核點(diǎn)位置需安裝藍(lán)白標(biāo)靶，利用全站儀獲得的8個檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)、高程與檢核點(diǎn)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對比分析后，可以對城市地形圖可靠性進(jìn)行檢驗。三維激光掃描儀及相關(guān)配套設(shè)施的應(yīng)用，可以準(zhǔn)確獲取檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)、全站儀獲取點(diǎn)平面坐標(biāo)差值，其絕對值最小可達(dá)0.005米，最大值也只有0.024米，二者求平均值大約在0.012米左右；對于高程差值絕對值而言，其最小值大約在0.006米左右，最大值大約在0.029米左右，其平均值在0.018米左右。三維激光掃描儀轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)誤差，主要是因為控制測量產(chǎn)生的誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中的誤差以及掃描儀系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差等。通過比較,采用三維激光掃描儀及相關(guān)配套技術(shù)設(shè)備以后，可有效滿足城市地形測量需要。

結(jié)語

總而言之，三維激光掃描儀在城市測量中的應(yīng)用，有效地克服了傳統(tǒng)的測量局限性，其能夠主動測量和非接觸測量，并且直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，具有實(shí)時性、準(zhǔn)確性、掃描速度改快以及全數(shù)字化和高精度等特點(diǎn)，應(yīng)用效果較好。

[1]彭維吉，李孝雁，黃颯．基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測繪[J]測繪通報，2013(03):70－72．

[2]呂寶雄，巨天力．三維激光掃描技術(shù)在水電大比例尺地形測量中的應(yīng)用研究[J]西北水電，2011(01):14－16．