车载三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘中的应用

曹兆峰，赵海峰，王胜利，姜 鹏

(江苏省地质测绘院，江苏 南京 211100)

0 引 言

传统地形图绘制方法主要有：① 利用全站仪测定地物三维坐标，再通过内业处理绘制成相应比例尺的地形图；② 通过航空摄影测量技术获取影像，再通过像控、空三加密、内业立体测图、外业调绘、内业数据编辑等步骤获得相应比例尺的地形图。前者外业工作量大，数据采集时间长，后者数据获取成本较高。两者还有一个共同的缺点：当测区地形较复杂、植被覆盖度大、天气不佳时，很多地段是测绘不到的。而三维激光扫描技术可以深入到任何复杂的环境中进行扫描操作，在数据采集的效率和精度方面有明显优势。本文以西安某一局部地区地形图测绘为例，探讨将传统地形图测绘方法和三维激光扫描技术相结合，绘制大比例尺地形图的方法和步骤。

1 三维激光扫描简介

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”[1]，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，这将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。它的主要特点是实时性、主动性、适应性好，经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂且费时费力的数据后处理；无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；与GPS结合起来可以实现更强、更多的应用。

最具代表性的是车载三维激光扫描仪。车载三维激光扫描仪是将三维激光扫描设备、卫星定位模块、惯性测量装置、里程计、360°全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机集成并封装于汽车的刚性平台之上，在汽车移动过程中，快速获取高精度定位定姿数据、高密度三维点云和高清连续全景数据[2]，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息采集与建库。

2 三维激光辅助地形图测绘技术流程

本文将三维激光扫描技术应用到地形图测绘中，主要包括外业扫描方案设计、外业数据采集、车载扫描数据处理、地形图绘制等几个步骤，其具体技术流程如图1所示。

2.1 外业扫描方案设计

在外业数据采集之前，要先确定好扫描方案。主要包括扫描范围、扫描路线、基站架设位置以及扫描时间等。首先将航测方法无法测绘的范围确定好，然后根据确定好的扫描范围来设计行驶路线。由于西安路面较宽，为了保证能满足大比例尺地形图绘制要求，在设计行驶路线时每条路面都是来回扫描2次，以保证点云密度。其次，根据扫描路线确定基站架设位置，一般选择视野开阔，GPS信号良好的地区架设基站。最后，由于测区所处位置是西安主城区，白天人流量、车流量都很大，路两边停的车也很多，只有在夜间(晚上11点至早晨6点)扫描，才能保证扫描数据的完整性，如图2所示。

2.2 外业数据采集

外业数据采集时要严格按照外业扫描方案设计来进行，同时采集点云数据和全景照片，全景照片的采集便于后期数据处理和编辑。车辆行驶速度保持在30 km/h左右，线速度设置成200转/s，激光点频设置为550 khz-300 m，视场角选择0°～360°，扫描完成后要立即在现场检查数据，确保数据的完整性以及数据的质量。图3为外业扫描的点云成果数据。

2.3 车载扫描数据的处理

车载扫描数据的处理需要经过2个步骤：① 解算扫描轨迹；② 解算测图需要的LAS文件。首先应用Inertial Explorer软件解算出扫描轨迹并导出轨迹文件。其次，应用CoPre软件，设置滤波距离等参数，从而解算出测图需要的LAS文件。

2.4 地形图的绘制

在本项目中，针对点云数据采集的并不是地形全要素，只是采用航测方法采集不到的独立地物如路面上的窨井盖、检修井、路灯、电杆、电缆交接箱以及路边线、隔离带等。本项目采用的是CoMapping和SouthLidar两款软件，这两款软件都能够满足海量加载、显示点云数据的要求。前者需要使用配套的立体显卡和立体眼镜，对电脑配置有特殊的要求；而后者只需要普通的电脑就可以。在地形图绘制过程中，有以下几个方面的技巧：

(1)利用CoMapping软件生成点云结合表。

(2)可以根据需要适当调整点云大小，一般情况下，我们将点云大小设置为3。在CoMapping软件中，如果要绘制路边的路灯、电杆等杆状地物时，可以将点云大小设置为1或者2，并将点云设置为高程模式，这样可以很方便地分辨路边的杆状地物。

(3)在SouthLidar软件中，是在切片模式下进行地形图绘制。如果要绘制路边的路灯、电杆等杆状地物时，可以将模式切换到三维状态，再将点云大小调整为1或者2，并且将点云设置为高程模式，也同样可以很方便地分辨出路边的杆状地物。

(4)如果要测路边线、隔离带等线状地物时，可以设置一个高程，将此高程以上的地物过滤掉，这样就可以很清晰地分辨线状地物的边界。

图4为内业采集的DLG成果数据。

3 实例验证

3.1 作业区概述

作业区内建筑物密集，以多层、高层建筑为主。次要街巷多，分布不规则，且植被覆盖度较大，因此，若采用传统的航测方法进行大比例尺地形图测绘，很多独立地物如路面上的窨井盖、检修井、路灯、电杆、电缆交接箱以及路边线、隔离带等都无法判别其准确位置，后期外业补测工作量很大。因此，本文采用了将传统地形图测绘方法和三维激光扫描技术相结合，绘制大比例尺地形图的方法。

3.2 精度检测

为了验证点云的精度，本文在试点区域内选取了均匀分布的23个检测点进行检测。依据《测绘成果质量检查与验收》(GB/T24356—2009)，采用高精度数据进行精度检测时，中误差按式(1)计算。精度评定结果如表1所示。

(1)

表1 精度评定表 单位/m

经计算，得到车载三维激光扫描点云数据的平面位置中误差为7.8 cm，高程位置中误差为13.4 cm。《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)要求：地物点相对于邻近平面控制点的点位中误差为图上0.5 mm，相对于邻近图根点的高程中误差为0.15 m。此次结果完全符合规范要求。

4 结 语

综上所述，将车载三维激光扫描技术应用到大比例尺地形图绘制中，可以有效地解决传统地形图测绘方法测不到的盲区，能大大减少外业后期补测工作量，且精度也满足现有国家规范的要求。

但此技术也存在一些不足：点云数据量较大，如何提高数据有效性，减少数据冗余是下一步的研究重点。