基于三维激光扫描技术的地形测量一体化应用研究

徐子红

摘 要：地形测量一体化是指利用测量仪器与技术针对某一地形进行外业测量，同时通过内业数据处理、地形图生成及建模的整个一体化生产过程。全站仪测图、GPS RTK测图及摄影测量等是比较常见的地形测量技术，但是对于一些危险地区的地形侧廊来说，传统测量技术往往不能快速获得数据，三维激光扫描技术的应用可以有效弥补传统测量技术的缺点，不需要接触被测地形即可快速获取三维点云数据。下面就针对三维激光扫描技术在地形测量一体化中的应用进行分析。

关键词：三维激光扫描技术；地形测量一体化；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.096

随着社会的快速发展，当前三维激光扫描技术已经在各个领域中得到了广泛应用，并取得显著的效果，与传统测量技术相比，三维激光扫描技术在实际应用中具有工作效率高、测量精确率高等特点，在地形地质测量中应用不仅扫描速度快，同时测量精确度也得到了提高，当前很多科技人员均将这项技术作为实际工作中解决问题的主要手段，为工程测量及数据研究工作提供了保证。下面笔者尝试结合自己的工作经验，对这项技术在地形测量中的一体化应用进行深入剖析。

1 三维激光扫描技术发展与应用现状

1.1 扫描硬件技术

（1）扫描速度，从以前的每秒几千点提升到了现在的每秒几万点，数据采集的时间大大缩短，工作效率提高的同时还保证了野外数据采集的安全性；（2）扫描结构，从之前的分体式结构改变为现在的一体集成结构，这种扫描结构由扫描电池内置、高分辨率数码相机及高分辨率触摸屏等部分组成，不仅操作非常方便，而且便于携带；（3）视场角，从原来的几十度发展到了全景扫描，不仅工作效率高、操作简单，同时数据后续处理也更加简便；（4）精确度，细微扫描点测量操作可以实现，同时仪器的应用范围也得到了扩展，众多领域的数据需求均可以得到满足。

1.2 软件进步技术

（1）处理量，随着近年来算法程序的改进，当前的扫描软件已经可以储存并处理十几亿点的数据，这种性能上的变化为人们处理数据的过程中提供了有效的帮助，精细化扫描得以实现；（2）功能齐全，当前扫描技术在多个行业中就能满足实际需求，利用其可以实现准确地形测量、二维线条提取及建模等功能，当前建筑结构测绘、工业设计及文物保护等方面研究中都需要用到扫描技术。在地形与地质测量工作中，应用该技术不仅测量简单、容易操作，同时得到的测量结果也非常精确、全面，可以对三维结果进行计算与分析，并且不会受到环境因素的影响。

2 地形测量一体化的三维激光扫描数据采集

随着全站仪、航空摄影测量仪及GPSRTK等技术的广泛应用，地形测量作业开始朝着内外业一体化方向发展。利用三维激光扫描地形获取的数据悬浮于孔中，属于没有属性的、离散的点阵数据，被人们形象的称为“点云”。在地形测量一体化中，点云数据主要利用地面三维激光扫描仪与机载三维激光扫描仪测量获取，前者可以获取点云数据中大量数据，后者发射的激光脉冲可以部分穿透树林等遮挡物，直接获取真实地面三维地形的信息。

2.1 地面三维激光扫描仪的工作原理与数据采集

地面三维激光扫描系统属于一种三维坐标测量系统，它集成了很多高新技术，其核心为三维激光扫描仪，经过多年的发展，不管从硬件上还是软件上地面三维激光扫描仪均得到了很大程度的提高。该扫描仪使用测距范围较大，与无棱镜测量的全站仪相比，这种仪器可以使所有测量领域的要求得到满足；全方位视角，可以方便用户扫描头顶方向、水平及水平面上下物体，在扫描过程中不会受到视角的限制，充分实现了360°视角的扫描，几乎不存在盲区；测量电位精度高，扫描仪测量单个点精度可以达到毫米级，精扫功能对远距离标靶的精度较高，充分保证了数据拼接精度。在地形测量一体化中，主要利用地面三维激光扫描仪获得点云数据，测量前需要做好扫描仪架设位置、扫描顺序等准备工作，然后连接网络设置、拍照等，最后获取点云数据。

2.2 机载三维激光扫描仪的工作原理与数据采集

利用机载三維激光扫描仪可以获得真实的影响数字模型与高程模型，是当前航测技术的尖端，其最大的特点在于不会受到天气条件、日照条件的限制，可以实现全天候观测，为数字制图、GIS应用提供地面模型数据。机载系统包括激光扫描、姿态测量、实时定位及计算机等诸多技术，利用激光测量技术可以快速获取精确的三维坐标，利用高速计算机计算得到地物垂直结构形态，从而增强对目标的识别能力。利用机载系统放射器发射的激光脉冲可以部分穿透树林的遮挡，得到真实地面的三维地形信息，在测量地形之前需要组好相应的准备工作，航行测量过程中应注意可能会发生的变故。首先制定飞行计划，然后设定GPS基站，再进行三维激光扫描测量与惯性测量，最后利用数码相机进行拍摄，进行数据传输。

3 三维激光扫描技术的地形测量一体化应用

某测区为一滑坡，属于高中山地形，扫描区域存在较大的地形起伏，该地区的植被较少，数据采集不会受到很大干扰，大大提升了数据的真实性及可靠性。鉴于该项目的地形特点，决定利用三维激光扫描仪进行测量，测距精度是±（2mm+2PPm）。

3.1 控制网布设

为了在同一坐标系中针对云数据进行匹配连接，于测区中埋设了定向控制点K1～K6，这些控制点均匀的布设在了测区之中，于视野开阔区域中定位扫描站点，在确保精度的前提下从最大范围上扫描目标。

3.2 外业数据采集

按照测区的特殊地形情况，利用分站式扫描方式对测区进行大面积扫描，以测站为中心按照一定半径进行扫描。将三维激光扫描仪设置在K1点上，选择3个不在同一直线上的点，安放标靶，注意将其中一个标靶安置于K2点上，启动Cyclone软件，建立数据库，应用相关工程文件对扫描区域进行拍照，在设置好参数以后对目标区域进行扫描，并依次将扫描仪架设于K2、K5、K4、K2各点上，利用同样的方法对不同点进行扫描，一直到所有扫描工作完成为止。

3.3 内业数据处理

待云数据采集完成后，利用Geomagic Studio 12软件与Cyclone软件处理采集到的数据，拼接不同测站点云，进行噪声处理、点云滤波平滑处理、压缩抽稀、修补空洞，最终数据输出。

3.4 绘制地形图

利用国家坐标系统可以绘制出地形图，但是经过预处理得到的点云数据针对扫描仪坐标系统来说的，二者存在一定差异，所以需要完成从三维扫描仪到国家坐标系的转换，这就需要将四参数模型转换到平面坐标，而高程转换通常需要利用平面拟合法。完成上述转换工作之后，可以从点云数据中将交通设施、居民地、河流等地物点坐标提取出来，然后编辑制图，其他高程点过滤之后，按照成图比例尺选择点间距，并对点云数据进行稀释，在CASS中导入点云数据并建立DTM模型，生成等高线，叠加编辑后完成地形图。

2.5 成图质量检查

利用三维激光扫描仪得到的点云数据绘制地形图，需要对该地形图进行质量检查。具体来说，需要对比这些坐标与利用全站仪获得的三维坐标，并进行相应计算，最后得到平面误差与高程误差。该工程共在测区中设置了5个检核点，扫描过程中需要将标靶安置在检核点上，利用全站仪可以得到5个检核点的三维坐标，对比其余扫描仪转换得到的坐标数据，以此检查地形图是否可靠。对比利用全站仪获得的三维坐标与利用三维激光扫描仪获得的点云数据，检核点平面坐标误差在5cm以内，高程中误差在3cm以内，可以达到绘制地形图的精度要求，可见，利用三维激光扫描技术可以满足地形图测量的精度要求。

4 结语

综上，在地形测量中应用三维激光扫描仪是可行的，在地形测量一体化领域中应用三维激光扫描技术完全可以使地形图测量需求得到满足，并且与其他地形图测量技术相比可以真正实现一体化目标，利用该项技术与计算机技术结合可以得到精度较高的地形图，工作效率大大提高，節省了大量的人力、物力，特别是在一些地形险峻、人难以达到的测区其优势可以得到充分发挥。

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