基于三维激光扫描的大比例尺地形测绘方法研究

周勉

[摘要]三维激光扫描仪可以通过与数码相机的高度结合获取高精度的三维矢量数据，从采集的地面数据与真实的光学影相数据匹配后，编辑后期地形图。利用这种方式，提高了数据编辑的可靠性，缩短了成图周期。

[关键词]激光扫描；地形测绘；大比例尺 文章编号：2095-4085（2017）02-0041-02

利用三维激光扫描大比例尺地形测绘，有着广泛的应用前景。但是在获取的海量点云数据在计算机处理过程中遇到瓶颈，必须抽稀数据后，才能顺利进行编辑工作。如何快速、高效地处理海量点云数据是未来研究的一个课题。

1关于三维激光扫描在地形测绘的研究

根据我国有关部门发布的标准，我国TLS地形测绘技术有一定的规范制度，但是在目前的情况下，仍然有许多需要解决的问题：（1）由于激光扫描仪器的内部结构较为复杂，出现问题时不易检验，因此在维修管理方面的应用技术较不完善，仪器误差不易检验，应用技术与验收标准尚不完善；（2）由于在后期的数据处理中较为依赖人为的筛选，所以其内页数据的处理效率和精度方面都较低；（3）第三方专业绘图软件的应用在地形绘图过程的应用必不可少，但是目前，以点云数据为基础的通用绘图工具的缺乏是制约地形绘图工作进步的主要原因，同时地形绘图对软硬件的配置标准普遍较高；（4）通过对国外市场调查分析发现，地面三维激光扫描设备引进成本较高，同时受到我国实用商品体系构建不足的影响，TLS地形测绘技术发展受到了严重的阻碍；（5）在仪器设置参数影响下，这些参数主要包括测距、置平精度以及分辨率等，在相对复杂环境中容易出现误差累积问题，严重情况下还可能出现部分数据丢失的现象，对系统绝对精度造成影响。

综上可知，传统测绘技术应用效果并不理想，而T15地形测绘技术应用优点主要体现在以下几个方面：（1）仪器校正和技术应用更趋规范化、标准化和系统化，例如针对TLC系统的验校、结果精确度等的评价方法和算法更加准确和简单，但是具体内容需要以具体环境测绘标准检验为参考；（2）分站点云数据自动匹配方法在实践应用过程中效率更高、结果也更加准确，同时点云数据精简算法，可行性更强。另外通过与高分辨率图像重建技术的结合应用可以为几何地形数据同影响数据、GIS数据等的一体化结合提供基础，为目标识别和非地形数据剔除自动化目标的实现创造基础条件；（3）点云数据应用处理软件性能更高。以点云数据分析为基础的大比例尺测绘系统在实践中的应用可以完成二次开发，为绘图、建模一体化目标的实现提供了基础条件；（4）根据国情，研发出具有自主知识产权的仪器。高度集成测量技术，实现用户坐标与大地坐标自动转换，实现水上水下扫描一体化，扩大TLS地形测绘技术的应用领域。

2三维激光扫描大比例尺地形测绘方法应用实例

2.1工程简介

为了检测TLS地形测绘技术的实用性能，我们进行试验，验证三维激光扫描仪在特殊困难地貌区域的成图精度。本文选址位于地势较为复杂的草原石城景区。此地地貌复杂，交通不便，也不利于航空摄影。测试的地区大部分为山地，并大面积裸露不规则岩石。测量的最低高程约1780 m；最高高程约1920 m；平均高程约1905 m；成图比例尺为1：1000；面积8 km²。测量地区的地势起伏较大，乱石遍布，而且南北部遍地山包，遮挡较为严重，因此以常用方式测试较为复杂，难度较大。

2.2仪器设备选用及性能

本次测量用到的是奥地利生产的仪器，型号为Rieg1VZ-1000。考虑到测量的精度问题，将扫描精度设置为100m处14 cm，扫描距离600m，以更为准确的反映测试地区的地貌形态。在实践测绘工作中可以通过任何一种设战法完成地面扫描工作，具体操作：将三个临时感光片设置在站点，在设置过程中必须保证激光扫描仪照射范围内设置了发射片，而感光片坐標的确定具体可以通过GPSRTK技术测定所得。另外相邻两个站点之间的重叠度应当在30%左右，这样做的目的是保证数据检核和后期数据拼接工作的顺利完成。结合反光片坐标值还完成坐标转换计算。例如若实验区段地面扫描站数目为230站，需要完成地形测绘图32幅，所需要时间在50 h左右，计算所得数据采集速度约为300000点/s。

2.3数据处理

通常情况下，三维激光扫描仪完成测量工作后，其数据量是相当大的，最大可达到82 GB。由于本实验区域范围内不存在特征公共地物，因此基于公共特征点的方法是无法完成测站数据拼接工作的，因此必须对数据处理准确性给予高度重视，通过感光片成像点完成数据拼接，通过感光片对左边站点进行测量，依据数学计算方法完成同名点的参数变换，从而顺利完成拼接。站点数据传输到仪器上并向实地坐标转换。这一系列数据的拼接和坐标转换过程必须保证及时将噪声和植被剔除等，为后续制图工作的顺利进行奠定基础。一般情况下，针对噪声点的剔除工作可以利用多视角完成，而针对植被的剔除则可以利用在线波形处理技术等来进行。其中植被剔除基本原理如下：不同目标地物对不同波长激光扫描束的反应存在差异，而这种差异主要表现在地物回波发生强度方面，根据这些差异可以顺利识别出地物的种类和具体材质，并以此为基础完成地物种类的颜色分类。另外为了最大限度保证植被剔除效果理想，在剔除工作完成后可以通过点云数据的应用来形成数据图。

2.4成图精度验证

本次实验中为了保证三维激光扫描仪成图的精确度，通过全站仪的利用在全野外1000 m²范围内采集了地形图数据。其中针对高程点和第五点选择比较频繁的位置进行了对比分析，其一方面实现了对三维激光扫描仪数据的准确性；另一方面为复杂环境下测量工作的进行也提供了新思路。

3结语

综上所述，地面三维激光扫描仪的应用还不够好，应用范围有限，导致这一情况发生的主要因素包括两个方面：一，三维激光扫描技术与传统测绘技术结合问题；二，三维激光扫描设备成本高，普及率差，但是其应用优势确是不容忽视的。