车载激光扫描技术在地形数据采集中的应用

张文峰 王智明

摘 要：传统人工野外测绘要素采集的方式，难以满足地理信息数据库快速更新的需求。本文拟以车载移动激光扫描技术为依托，探究其数据采集工作原理，并探究其在道路沿线带状地形测绘中的应用，以期为类似工程提供参考依据，提升野外数据采集的数字化程度。

关键词：车载激光扫描；密集点云；点云拼接与分割；数据采集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.209

伴随现代测绘技术的发展，以无人机低空航摄、车载移动激光扫描仪等数据采集方式，以其精度高、速度快、易判读的优点，逐步替代传统人工全野外测量手段，并被广泛应用于城市要素更新、地籍测绘、公路部件普查等诸多领域。全站仪、GNSS等传统野外测量设备，受人工因素影响，数据采集效率相对偏低，人力成本占比较高；而车载移动三维激光扫描系统，将GNSS定位、IMU惯导、Lidar扫描和CCD传感器有机融合，极大提升了基础地理信息数据采集的精准程度和作业效率。

1 车载移动三维激光扫描系统概述

从概念分析，车载移动三维激光扫描仪，即以车辆作为载体平台，将激光扫描设备、GNSS定位设备、惯性测量设备与相关影像传感器进行封装集成，使得车辆载体移动过程中，利用多源传感器获取周边基础地理信息数据的系统。除去定位与惯导模块外，其数据采集模块主要包含CCD传感器与三维Lidar扫描设备，其中前者主要为获取建筑物或车辆周边地物纹理图片，以备后期点云纹理信息处理提供基础；后者三维Lidar则利用发射与接收激光信号，来精确测定周边构筑物位置信息，其点云坐标采集原理为测定水平与垂直角，以及脉冲激光发射与回收的时间差值所求取的间距，进而计算待测点坐标。以独立坐标系统扫描为例，假定扫描设备为原点建立空间直角坐标系统，X、Y为平面，Z为垂直方向，求得待测目标点坐标，如图1所示：

2 车载激光扫描地理信息数据采集

现有某城市核心区、重要功能区进行1：500数字地形图测绘，测区交通便捷，道路纵横，主要道路有穿山疏港高速、绕城高速、泰山路、黄山路、富春江路、骆霞公路等；除建筑密集区采用全站仪、GNSS定位数据采集外，为适应新技术的引入使用，部分城市主干道、高速公路沿线，采取车载移动三维激发扫描的方式进行地理信息数据采集。

已有资料方面，四等GPS加密控制网成果，经平差处理单位权中误差为±0.76cm，最弱点点位中误差为±2.36cm，最弱边相对中误差为1/117000，其中有G4055、G4058、G4060、G4064、G4067、G4068等点位于测区内或周边，标志保存完好，作为城市一级及以下等级平面控制测量的起算数据；测区内及周边有12个二等水准点，作为本测区四等水准测量的起算数据；同时测区内原布设的328个一级控制点，作为本次量测的平面与高程测量基础。

具体外业地理信息数据采集环节如下：

（1）CORS差分定位快速联合解算。在车载测量过程中，车载GNSS定位模块接入CORS系统，在测量完成后进行联合解算，并参考车载IMU数据，提升车载定位测量的精准性。

（2）激光点云数据采集。首先检车系统设备运行、GNSS星历等情况，并预先设计好测量线路；其次数据采集时，VZ-400固定在车辆一侧保持在一个角度上进行线状条带扫描，LMS-Q120i固定在车辆后侧对车辆下方进行线状条带扫描，在前往测区过程中，选择GNSS卫星观测条件较好的直线道路行驶，并适当提前采集点云数据；最终密集点云精度，受车载定位质量影像较大，在条件较差区域可利用周边观测条件较好的地方，引入POS观测修正方式来补偿数据精度。

（3）360度全景影像获取。全景相机进入测区拍摄前，需进行影像预览，调整影像色调和亮度，进行白平衡，同时综合考虑天气状况、道路交通拥挤状况、周边环境等因素，尽量选择在天气晴朗时车，影像所得到的成果数据格式以*.pgr形式存储输出。

（4）点云定位定向与全景影像融合。利用车载POS数据与CORS数据联合解算，将联合定位信息加入RiScan Pro软件系统进行处理，获得激光扫描仪车载模式的行迹文件，确定激光点坐标值，对整个点云文件定向处理；为了便于点云绘图处理，应精确配准点云与全景影像，作为点云数据处理的参考。

3 点云拼接分割与矢量化处理

将外业采集的激光点云数据，应固定在统一的坐标系统框架下进行拼接与分割处理，然后开展地物特征提取、高程点获取、点云矢量化与调绘查图等工作，制作工程实践所需的带状地形线划图。其内业环节可分为：

（1）坐标框架统一与点云拼接分割处理。车载激光扫描点云数据、全景成像数据平面坐标，均应在CGCS2000坐标系下进行拼接，合为测区整体点云成果；由于点云数据量很大，对计算机的软硬件要求很高，直接全部处理效率很低，因此可根据测区特点，按道路、水系、境界等特征地物划分为几个片区分别处理，分割时不得破坏地物的整体性。

（2）地物特征点与高程点获取。各点云处理软件中，点云是以某个角度的正射投影的透视方式显示，视角不同，投影面也各不相同，为避免因视角不同而产生的点云捕捉错误，各类地物特征点获取前需先对点云进行分割处理；利用点云处理软件直接拾取高程点，并将该部分点云数据从整体点云中分离出来，经大地水准面精化模型转换后采用。

（3）点云矢量化与外业调绘。针对线状地物，例如栅栏等与周边地物相比有独立高程特征的线状地物，按其高程区间将其分离绘制，原始点云示例如图2所示：

针对道路边线等与周边地物有一定高程差异特征的线状地物，根据高程特征直接绘制；其它与周边地物无高程差异特征的线状地物，采用外业调绘和补测的方法绘制；复杂区域地物绘制时，将复杂区域单独分离出来再根据投影，切面等方式绘制；按照数字测图相关规范要求，对测区内地形图现状进行了外业实地巡查调绘，并针对部分激光扫描仪测量漏洞采用GNSS定位设备进行补测。

4 结语

作为地物几何特征的数字化表现，点云分布特性受实际地物直接决定，利用车载激光扫描系统所获取的三维密集点云，采用有效算法基于扫描线、路面点云或密度分析等手段，剔除路面行人与车辆等干扰因素影响，可有效提取地物空间几何分布特征数据。

综上所述，相对于传统测绘方式而言，激光扫描测量具有数据采集精度高、成果可靠性强、人力要求强度低等优点。本文以车载移动激光扫描系统为依托，阐述了其系统模块构成与激光扫描工作原理，并结合道路沿线带状地形测绘的工程实践案例，分析了其外业激光扫描数据采集，内业点云拼接分割、地图特征点提前、点云矢量化制图等基本作业流程，有利于提升车载激光扫描数据采集的规范化程度，促进其在工程测量与制图中的实践应用。

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作者简介：张文峰（1981-），男，湖北天门人，本科，高级工程师，主要从事大地测量、工程测量、城市基础测绘的研究与管理工作。