三维激光扫描技术应用于大比例尺地形图绘制

2020-09-06韦运程

科学导报·学术 2020年79期

韦运程

【摘要】三维激光扫描技术具有无接触、快速记录扫描对象表面的完整信息的特点，将其特点应用于地形测量中可有效地提高地形测绘的作业效率和成果精度。本文介绍了三维激光扫描技术应用于地形测量中的流程，对三维点云数据处理的关键问题进行了讨论;并通过实践案例做了具体介绍，最后进行了归纳和总结。

【关键词】三维激光扫描;地形图

1引言

三维激光扫描技术是一种新兴的测绘技术，能够进行全自动、高精度、高效率、远距离地立体扫描，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，又被称为“实景复制技术”。传统的地形图测量方法如全站仪、RTK等均是离散点采集，获取信息量不够全面，且存在采点困难，如测量人员无法到达或信号接收不佳，导致效率低下;若采用航空摄影测量、遥感等方法，虽然速度快，也可获取大量信息，但是成本代价过高。地面三维激光扫描技术的出现，为地形图测绘，尤其是大比例尺地形图，提供了新的思路。

2三维激光扫描技术在地形测绘的优势

2.1常规地形测绘的现状

常规地形测绘方法一般采用全站仪和GNSS RTK方式进行地形图测绘，这两种方式应用时间比较久，流程非常成熟，而且现在仪器较廉价，但也存在如下缺点：

（1）测量效率不高。常规测量方法通常需要测量人员到达测量点进行实地作业才能完成数据采集，对于大面积或不易到达的测区，通常需要耗费大量的人力、物力和时间，因而测量效率不高。

（2）测绘成果单一。常规地形测量通常采集的是离散点数据，对于内业人员来说无法对测区实际情况有详实的了解，往往需要与外业人员反复沟通;绘制出来的地形图以平面显示反映真实三维地形地貌，具有一定的片面性和局部性。

2.2地面三维扫描技术的优势

随着计算机硬件、软件、制造工艺的快速发展，出现了专门用于测绘的三维激光扫描仪。三维激光扫描仪主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号，从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。与常规地形测绘方式相比，虽然目前三维激光扫描数据采集和处理技术对硬件要求较高，仪器设备相对昂贵，但其优点也非常突出：

（1）无接触测量。三维激光扫描技术对施测区域无接触扫描测量，直接获取扫描区域内地形地物空间三维信息和其他属性信息，反映测区的全面真实地形地貌;对于一些人力难以或更不不能达到区域尤为适用，这都是常规测量方式无法比拟的。

（2）扫描速度快。目前，三维激光扫描系统扫描速度最高已达百万点每秒，对于逐点测量这种常规测量来说是无法企及的。

（3）分辨率高。三维激光扫描可以进行高质量、高密度扫描，测点精度和扫描点间距可以到毫米级。

（4）应用广泛、适应性强。由于三维激光扫描具有卓越的技术特点，因此其在工程建设各领域应用日益广泛。而且该技术对使用条件要求不高，可以全天候作业，适合野外作业。

3点云数据处理

应用三维激光扫描技术完成外业数据采集后，还需用专门的软件对获取的大量点云数据进行处理，才能得到最终成果。其中点云数据处理主要包括以下四个环节。

（1）点云拼接。由于外业数据采集时，受到测区通视条件影响，同时三维激光扫描仪扫描范围也有限，通常不能够一站覆盖整个测区，而是需要进行多站扫描，最终实现多站点云数据的拼接。

（2）点云过滤。三维激光扫描仪在扫描过程中会扫描到植被、行人、车辆等对绘制地形图无用的点，在绘制地形图之前必须把这些无用点尽可能剔除，否则会影响到最终成果的精确性。目前点云过滤采用人机协作来处理。

（3）坐标系的统一。三维激光扫描出的数据往往是以各测站为基准的扫描坐标系，实际生产应用中是大地坐标系或者独立坐标系，这就需要把扫描仪坐标系转换到大地坐标系或者独立坐标系中。因此，在进行三维激光扫描之前，需要布设一些满足测图精度要求的控制点，在这些控制点上架设标靶，扫描过程中把这些标靶也扫描进来，从而使得这些控制点同时具有扫描坐标和大地坐标或者独立坐标，方便后续的坐标转换。

（4）地形（貌）特征点（线）提取。扫描的点云数据通过拼接、过滤、坐标系的统一这些预处理之后就可以进行地形图绘制工作。通常的做法是在点云处理软件中提取地物（貌）的特征点（线），把这些特征点（线）导入到第三方专业绘图软件中进行地形图绘制。

4应用实倒

采用天宝最新推出的TX8三维激光扫描仪在某小区进行三维激光扫描。小区内树木繁茂，通视条件不佳。一台外业设备，一人四小时完成12万平方米区域扫描，数据处理及内业地形图绘制一人三天即可完成，充分体现了三维激光扫描技术在地形测绘中作业效率高、成图精度高的优势。

4.1数据采集

天宝TX8采用脉冲波技术，在扫描速度百万点/秒情况下，120米测程保持测距精度优于2mm，保证了扫描数据的精度;在18%～90%反射率条件下扫描得到>=80%的数据，保证了测区信息的完整性;采用天宝专有的“Lighting”技术，在扫描过程中平滑点云数据、抑制噪声，使得扫描出的点云非常纯净，大大减少了内业滤波时噪点删除的工作量;360°×317°超大扫描视场角，保证一次扫描范围更广，可有效减少测站数，提高外业作业效率。

在测区均匀布设了7个图根控制点，扫描过程中同时对这些图根控制点上的标靶也进行扫描，总计扫描了38站。

4.2点云数据处理

点云数据拼接。采用天宝RealWorks软件的“无目标自动拼接”功能实现不同测站点云数据拼接，拼接总体精度在2.6mm。利用4个图根控制点进行坐标转换，内符合精度在7mm。

4.3大比例尺地形图制作

4.3.1地面点、非地面点分离

非地面点是指植被、房屋、路灯、电线等非地面数据。这些数据的存在会影响地面三维模型的生成，所以在建立地面三维模型前需要进行地面点与非地面点分离。本实验在天宝RealWorks软件中，利用地面点滤波工具，通过设置格网大小及地面点厚度进行地面点与非地面点分类，得到的地物点。

4.3.2提取地物特征点与特征线要素

利用AutoCAD2008软件提供的样条曲线工具等功能命令手工绘出道路、国旗台、路灯等地物的特征点与特征线要素。

4.3.3地形图绘制与编辑

在AutoCAD2008软件中手工提取地物特征点线后以DXF的格式输出，然后在CASS9.0软件中打开文件，依据地物特征点线按照1：500比例尺要求绘制地物符号。在CASS9.0软件可完成地形图的整饰。

5结语

三维激光扫描仪可以高精度地、无接触、自动高速地获取局部地物细节信息，复杂地物多特征信息及危险区域信息，在大比例尺地形图制图方面具有显著的优势。但是由于扫描精度较高，点云数据数据量庞大，并存在许多冗余信息，内业时间花费较多，如何在不影响精度的前提下快速制图是今后的一个重要研究方向。