基于地面三维激光扫描的大面积1:2000地形图测绘技术

李尧

（梧州市测绘地理信息院）

1 引言

在对大面积地形图进行测绘时，最常使用的技术手段就是全站仪与GPS技术，经过长时间的发展，这些测绘技术已然是非常成熟且具有实用性的。但在一些特殊的区域进行使用时，就需要事先投入大量的人力、物力、财力，而且测绘的效率通常都会比较低。甚至，有一部分区域受到地形的影响，无法让工作人员进行测绘，这些情况均会对数据信息的获取带来很大的影响。地面三维激光扫描技术能够有效克服传统测绘技术存在不足的地方，使用地面三维激光扫描技术进行测绘时，不需要直接接触物体就可以进行测量，这就使其精准度得到有效提升[1]。而且在测绘时其工作效率也比传统测绘技术要高，利用激光发射至待测量对象之后，就能够及时地进行测量，并且能够在第一时间获取到其三维的坐标，根据坐标就可以进行完整的模型建立，从而形成准确的三维模拟数字地形图，不仅能够有效获取到大量的数据信息，而且其测量的精准度也得到提升。因此，就需要在地面三维激光扫描的基础上，研究大面积1:2000地形图测绘技术。

2 建立地面三维激光扫系统模型

地面三维激光扫描与测量的控制系统，主要是由地面三维激光扫描测量仪加上内置的数字照相机、资料处理软件、电源控制系统，以及其他设备等所共同构成。通过接收信号信息与发送信号信息之间产生的时间差，并结合激光脉冲的信号，来估算目标位置与地面扫描装置之间的距离D，利用不同方向偏转镜头测量每个目标所发射出的激光脉冲，在进行横向扫描和纵向扫描之后会产生的各个角度观测值γ与ϑ；计算目标点Q 的三维立体坐标(x,y,z)，具体如图1所示。

图1 地面三维激光扫描坐标测量原理

地面三维激光扫描测绘大多数情况下，所使用的都是设备内置的坐标系统，X轴在横向扫描的平面上，Y轴与X轴处于相互垂直，而Z轴则是与横向扫描平面相互垂直，从而构成完整的右手系，那么对于计算目标点坐标，具体过程如式（1）～式（3）所示。

地面三维激光扫描测绘系统主要就是利用传动装置来进行扫描运动，对目标物体进行多角度、全方面的扫描之后，再对所获取的数据资料加以处理，经过处理之后就能够得到在目标物体表面上全部的点云信息[2]。在地面三维激光扫描测绘系统中的数据照相机，主要是通过提取有关点云信息的图像数据以及实体数据。而地面三维激光扫描测绘系统最大的特点就是，利用非常高的测量速度来提供精准度高的扫描数据，通常情况下激光的发射频率能够达到120 万点/s 以及260 扫描线/s。并且，具有超级广的视觉范围，保持在一级安全激光的情况下，设备还能对超过2000m 的距离进行远程扫描。对于视场角、激光脉冲发射频率以及测量速度均可以进行参数自定义，利用多周期回波与线波形使数据采集速率达到45万点/s。并且多周期回波的接收能力能够对目标进行准确识别，将其与高精度数码相机的相互结合，从而得到色彩真实的数据信息，使整体的细节、位置与距离都可以更加准确[3]。

3 采集地形数据与预处理

在对大面积地形图数据采集之前，需要对扫描方案进行确定。其中包括：扫描的范围、路线、时间以及基站的位置等。需要先确定航测无法进行测绘的范围，根据所确定的范围进行行驶路线的设计。通常情况下，1:2000大面积地形的路面都比较宽，为了能够满足大面积地形图的测绘，在进行行驶路线设计时，就需要将每一条路线设计为来回扫描3次，这样能够保证点云的密度。根据所设计的扫描路线确定基站的准确位置，一般情况下选择视野开阔且GPS信号接收良好的地区。由于所进行测量的区域可能在主城区内，就可能在白天出现车流量与人流量都很大的情况，并且路边的车辆也会相对较多，因此在进行扫描的时候，时间尽量选择在夜间11点至早上6 点，这样就可以有效提高扫描信息的准确度和安全性[4]。

在对数据进行采集的过程中，严格按照所设计的扫描方案来进行，同时对点云数据与全景照片进行采集。在扫描时将线速度设置为180rad/s，激光点频设置为500kHz—200m，视场角范围设置在0°～360°之间，等到扫描完成后就对数据进行检查，来保证数据的完整性以及数据本身的质量。完成数据扫描之后，在进行预处理的过程中经过两个步骤：①利用Intertial Explorer软件，对扫描的轨迹进行解算后，将轨迹文件导出；②使用Copre 软件，对滤波距离参数进行设置，继而完成测图LAS 文件的解算[5]。滤波就是将整个信号中某一特定的波段频率进行过滤处理，对地形图像进行滤波，提取出图像中准确度较高地形的特征变化量，根据目标数据的剖面结果，得到图像中特征的交集处。根据特征点的分布情况，可以得到滤波处理后的重构输出曲线为式（4）。

式（4）中：k为三维扫描后地形图像的回传系数，β为图像中特征的集合，a0为连接成曲线的坐标点集合，∇x则为地形数据的几何识别函数。

4 三维激光扫描测绘大面积地形图

点云数据所采集到的地形要素不是整体，而是通过航测方法无法采集到独立的物体，例如检修井、路灯、电缆交接箱以及路边隔离带等。本大面积1:2000 地形图测绘所用的软件为CoMapping 软件和SouthLidar软件，这两款软件都可以对海量的数据进行加载，并且能够显示所有的点云数据。CoMapping 这款软件需要配备独立的立体显卡与眼镜；SouthLidar 这款软件只需要普通的电脑即可。在大面积1:2000 地形图测绘的过程中，需要特别注意以下几个方面：

①通过CoMapping 软件，生成点云数据的结合表。

②根据不同需求调整点云大小。通常情况下，将点云大小设置在5。而在CoMapping软件中，在对路灯或电线杆等物体测绘时，就需要将点云的大小设置为3，并将其调整为高程模式，这样就可以对杆状物体进行准确分辨[6]。

③使用SouthLidar 软件进行地形图测绘时，需要将其调整为切片模式。一旦要对路灯或电线杆等物体测绘时，需要将其调整为三维模式后，再将点云的大小设置为3，并将其调整为高程模式，也可以对杆状物体进行准确分辨。

④调整为高程模式后，需要将在此高程以上的物体进行过滤，这样所得到的地形图可以更加准确。

5 应用测试与分析

通过上述论述，针对地面三维激光扫描提出的大面积地形图测绘技术，为验证此次提出的技术具有可行性，选择我国某个城市作为需要测试的区域，在严格按照本文上述技术的基础上，对不同测绘技术下绘制结果与实际区域的准确程度进行测试，具体结果如表1所示。

表1 不同制图技术下绘制准确率对比结果/%

从表1 中记录的数据可以看出：使用MGE 技术进行大面积地形图测绘后，共经过十轮测试后，绘制结果的准确率在55%～60%之间；使用GIS 技术进行大面积地形图测绘后，绘制结果的准确率在70%～75%之间；而使用三维激光扫描技术进行大面积地形图测绘后，绘制结果的准确率在91%～95%之间。通过计算可以得出，使用MGE技术进行大面积地形图测绘，绘制结果的平均准确率为57.53%；使用GIS 技术进行大面积地形图测绘，绘制结果的平均准确率为72.94%；而使用三维激光扫描技术进行大面积地形图测绘，绘制结果的平均准确率为92.745%。因此，通过上述结果能够证明，使用地面三维激光扫描技术对大面积1:2000地形图进行测绘时，其绘制的结果与实际区域的误差最小，证明本文的地形图测绘技术是可以有效展现出大面积地形图中的信息与内容。

6 结语

通过研究证实，在大规模1:2000 地形图测量工程中，采用地面三维激光扫描技术，可以取得十分优异的效果，有效提高测量的准确性，也可以比较快捷地对高精度三维信息进行提取，特别是人们无法到达的地方，运用这项技术的优越性就显得非常明显。这样才能逐步促进我国在1:2000的地形图测量系统中，地面三维激光扫描技术的合理应用。但今后，在此方面需要逐步做好相关的技术研发工作，从而进一步推动地面三维激光扫描技术的有效运用，并促进相关工作的顺利开展。