三维激光扫描技术在地形测量中的应用

杨海峰++黄承孝

摘 要：三维激光扫描技术可以很好地进行地形地质测量，其不仅在测量上具有高度精准的优势，并且扫描效率高，操作较为灵活，这些都是普通的测量方法无法做到的。在我们生活中已经有很多方面运用到此技术，在很大程度上为我国从事科技事业的人员解决了难题，并且为我国的工程事业的发展做出了进一步的推进。该文首先概述了关于三维激光扫描技术的一些原理，然后对三维激光扫描技术应用地形测量进行了分析，以此得出一些结论并归纳，为相关人员提供一些建议性的帮助。

关键词：三维激光扫描 地形测量 应用

中图分类号：P217 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（a）-0012-02

三维激光扫描技术的突破实在GPS空间定位技术基础上实现的，主要是对测绘数据的获取、处理、服务方面进行了一次新的技术提升。当前三维激光扫描技术发展十分迅猛，如今已普遍应用于大面积范围，并且效益显著。该文通过简单概述三维激光扫描技术的原理，对其在地形测量中的应用进行技术性分析。

1 三维激光扫描技术概述

1.1 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术的主要组成有GPS差分定位系统（DGPS）、高精度动态载体姿态测量系统（INS）以及激光测距系统。在利用光源的基础上对测量对象进行探测获取目标的三维坐标、地表信息并且构建三维场景。

较为代表的激光测距传感器的组成主要有测距单元、控制和处理单元以及光学机械扫描装置。比较常用的激光测距方式有两种，即脉冲式和相位式。脉冲式激光测距是根据激光发射装置生成激光并将其发射至即光脉冲接触实物，产生反射再被激光接收机接收。以此测得地表和激光发射器之间的距离，公式如（1）所示。相位式测距则是利用传感器发射以及接收波之间的相位差来计算得出传感器与目标之间的距离。除此之外，还可以通过系统内的GPS能够和测量区内的GPS基站进行差分，以获得传感器具体空间位置；INS主要负责记录传感器的状态。

R=1/2Ct （1）

1.2 点云数据的特点与处理

一套全面的LiDAR系统含有高分辨率数码照相机所采集到的影像数据，INS数据，GPS数据，点云数据，而此次该文主要集中在三维点云数据上进行研究。LiDAR数据与普通的遥感数据是有区别的，它主要是获取离散的三维点云数据，而这种离散数据在同一平面内可接触到几个高程值，可以很好地得知一些细节信息以及有巨大变动的目标，如电线杆、峭壁等，但与此同时也相对增加了种种地形信息获取的难度。激光雷达数据第一次回波都是入射至物体像草坪、房屋等，最后一次是地面点反射形成的，可以说它的组成是多次回波的数据集中，整个流程比较繁杂，极其不方面进行数据处理。而点云数据不仅可以获取目标的三维坐标，还可以得知地表物对激光具有的作用，这在很大程度上为后续处理滤波、分类奠定了宝贵的基础，。但也有一个弊端，点云数据量比较大，在存储上，一个运算上甚至计算机硬件都提出了很高很严格的要求。

通常地面LiDAR系統都是扫描仪生产厂商用来处理公司自营产品数据的软件，像Leica公司的Cyclone软件和Riegl公司的RiSCAN PRO软件等基本的架构和功能也是差不多类似的，在这些软件下得出的数据进行转换成其他类型数据用AutoCAD，Geomagic，3DMAX等数据处理软件，可以更加方便地对用户的要求做出相应的改变。当前Cyclone已经更新到7.0版本，版本内容丰富，如添入了网络发布，在较为系统的完成数据采集的前提下，能够很方便地进行数据处理流程，可以应用于工程放样，并可以通过Cyclone VIEWER模块处理其它仪器（如航空雷达、非Leica测量系统的扫描仪）的ASCII，PTS和PTX等格式的数据

2 三维激光扫描技术在地形测量中的具体应用

2.1 数据采集

数据采集是为了了解勘测区内的具体环境信息，如具体明确标靶的位置、扫描仪以及测站数，为了保障所获取的数据的精准性，通常会选择较少的测站，这样就可以省去原始数据量造成的繁杂。为了后面数据匹配有效完成，通常会将点云数据的获取和纹理数据的获取进行同步操作。所以，必须严格按照所规定的比例尺规格进行选择对应的采样标准，并依次逐站扫描。

2.2 数据预处理

激光雷达点云数据在进行处理的时候，主要流程有：点石匹配、噪声消除、分割、坐标变换、图像匹配。而对于那些不是同一站点获取的点云数据需要严格匹配正确，将其归置于一个坐标系内，进行目标构模和进行定量分析。常采用的匹配方法有以下几种。

（1）在GPS的帮助下，获得各个扫描站点的具体坐标位置，将获取的点云数据置于其中，以此就可以得出较为准确的点云地理位置，并且可进一步与其它遥感数据进行同步分析处理。基于配准的基础，利用地形的重采样和手动点云对植被、电线杆、房屋、空气等产生的噪音进行消除。分割点石构建目标模型。截取清晰的纹理图像与点石匹配，作为该地区的地理样貌特征信息资料。

（2）如在扫描的时候多次扫到相同的目标，可作为匹配的公共点坐标系，将不同站扫获的点云置于其中。

2.3 地物的提取与绘制

提取地物特征，如房屋角点、电线杆中心点，首先需要将点云数据匹配精确，然后按照纹理信息进行人工提取。也可以采用地面三维激光扫描，对扫描的结果进行处理提取，如利用Leica的Cyclone软件，在点石视图中手工提取地物特征点，并以一定的格式输出到文本文件中。如，PointNum-ber，Feature Code，E，N ， H 0格式的文件，可直接导入到大比例尺数字测图软件（如CASS）中绘制地物。

2.4 等高线生成

详细的地面信息不能用三维激光扫描，因为三维激光扫描密度较大，在地形测绘当中点位过密且遍布不均。而如果采用扫描点构造三角网追踪等值线，很可能会因为一些繁琐的细节信息，导致等高线混乱。因此，点云数据在排除非地貌因素干扰后，都会依照地形测绘的具体精度标准做出相应的变动，最后得出数据，输入大比例数字测图软件，以此生成等高线。

2.5 地形图编辑

编辑地形图的时候，可以将地物图形和等高线图形重叠编辑，但是会因为部分地物数据的删除而影响等高线，造成等高线残缺、异形、不完整等情况。所以，这里就需要手动修整点石数据，对照照片进行，添加高程注记，形成图廓，修饰对局部。

3 结语

三维激光扫描系统本身就具有高效、精准的优势，将其运用于地形测绘当中无疑是个很好的选择，不但在很大程度上给工作人员的操作减轻了困难，还提高了工作效率，测绘结果也相比之前要好。可以说三维激光扫描系统的应用，很大程度上帮助且完善了测绘工作，使测绘工作的开展进一步扩展提升，相关数据采集较为完备。但是三维激光扫描系统在进行测绘成图的过程当中，必须要依靠全站仪、GPS等设备高度配合的基础下进行，精准掌握各个测站的坐标信息。而在此过程中，必须提高测站定位精度、目标物体反射面结果以及外界环境条件，主要是为了保障地形测绘成图质量，获取高质量的测绘成果图。

参考文献

[1] 孟涛.基于三维激光扫描技术的地形测量一体化应用研究[D].长安大学，2013.

[2] 邱俊玲.基于三维激光扫描技术的矿山地质建模与应用研究[D].武汉：中国地质大学，2012.

[3] 曹玺，韩贤权，周玉红，等.三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用[J].人民长江，2011（21）：89.