三維激光掃描技術在大比例尺地形圖測繪中的應用

朱曙光,余平洋（.河南理工大學,河南　焦作　454000；.開封大學,河南　開封　475004）

三維激光掃描技術在大比例尺地形圖測繪中的應用

朱曙光1,余平洋2
（1.河南理工大學,河南焦作454000；2.開封大學,河南開封475004）

摘要：三維激光掃描作為一種新興的測量技術，具有無需接觸被測量物體、測量精度高、速度快等傳統測量手段所不具備的顯著特點和優勢，本文主要介紹了三維激光掃描系統的構成及工作原理、點云數據采集與處理方法并結合工程實例探討了利用三維激光掃描技術快速生成大比例尺地形圖的方法與作業流程。

關鍵詞：三維激光掃描；地形圖測繪；數據處理

1　引言

目前地形圖測繪主要是采用全站儀、GPS等大地測量儀器，這些測量手段技術相對成熟，實用性強，但存在野外工作量大，效率低，受地形條件影響，特別對于地形復雜、人員難以到達的區域獲取數據具有一定的難度。近年來，隨著計算機技術和科學技術的飛速發展，三維激光掃描技術作為一種全新的空間數據獲取技術，已開始應用于測繪領域。三維激光掃描技術克服了傳統測量方式的局限性，無需接觸被測量物體，測量精度高、速度快，通過向被測對象發射激光束的方式，快速高分辨率的獲取空間三維坐標數據，通過對數據的處理和建模，可以生成被測區域的三維虛擬模型和數字地形圖，不僅提高了獲取數據的信息量和精度，同時，也大大縮短了外業工作時間，降低了勞動強度，提高了內業數據處理的自動化和智能化程度。本文以LeicaScanStation2三維激光掃描為例介紹其在某區域大比例地形圖測繪中的應用。

2　三維激光掃描系統的構成及工作原理

2.1 三維激光掃描系統的構成

三維激光掃描系統主要由掃描系統、控制系統和電源供應系統構成，其中掃描系統主要包括激光測距系統和掃描系統；控制系統主要是控制整個掃描儀的正常工作，包括點云數據采集中對測站及后視定向信息的輸入，各項掃描參數的設置及掃描區域的劃分等；電源供應系統則主要給掃描系統提供電力保障。

2.2三維激光掃描系統的工作原理

三維激光掃描技術是一種非接觸式掃描測量技術，能夠快速獲取直接反映測量目標實時、真實的形態特性的空間點云數據，其工作原理是：三維激光掃描儀發射器發出一個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，從而可以計算目標點P與掃描儀器中心的距離S，同時控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測值α和β，如圖1所示。依據公式1可得出目標點P的三維坐標。

以上求得的P點坐標為儀器自定義坐標系，坐標原點為掃描儀測距激光發射器的幾何中心，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸一般為儀器的豎軸，與橫向掃描面垂直。在實際工作中，需要將測量的點云數據轉換為統一的測量坐標系中，為了操作方便，可在外業采集數據時輸入架站點和后視點的坐標，由儀器自動完成坐標的轉換。

3　點云數據的采集與處理

3.1點云數據采集

本次數據采集區域位于某礦區，地形起伏較大，地物較少，這里主要采用LeicaScanStation2三維激光掃描儀對測區進行掃描測量，并利用華測X91GNSS雙頻接收機測定了測站點坐標，其作業流程如下：

3.1.1準備工作

白麗筠有一套她自己的住房，就在我第一次找到搬水泥紅磚活兒的那片新住宅區里，她還有自己的馬6轎車，若不是傍上大款，憑她那個寒酸的工薪家庭是無論如何置不起的。我想起小時候記憶中的白三刀，問候她的父親身體可好？白麗筠傷心地告訴我說，父親前幾年去世了，她剛剛有能力盡一點兒孝心的時候，父親卻不給她機會，撒手西去了。只有母親猶在，也老得走不動路了。

首先通過實地查勘確定測站點及掃描順序，然后利用GNSS測量測定出測站點坐標。

3.1.2設站

在控制點上架設三維激光掃描儀并進行對中整平，打開電源開關讓儀器自檢。

3.1.3網絡設置與連接

自檢完畢后，將計算機與掃描儀用網線連接起來，打開Cyclone軟件，創監測區的數據庫和工程項目，執行ScannerConnect進行網絡連接。

執行getimage命令，儀器會自動旋轉并進行拍照，可通過設置進行局部或整體拍照，并且該照片可對建立的三維模型進行紋理貼圖。

3.1.5掃描設置

設置掃描主距、掃描精度、掃描范圍和標靶類型以及后視定向。

3.1.6獲取點云數據

通過執行SCAN命令，就可獲得所選區域的點云數據。

3.2點云數據處理

點云數據處理主要是利用Cyclone軟件對點云數據進行平滑去噪、匹配拼接等一系列的處理，最終得到所需要的點云數學模型和地形圖。

3.2.1平滑去噪

數據采集中受測量設備精度、操作者經驗、被測物體表面質量、環境等因素的影響，點云數據不可避免地存在噪聲點，因此在進行點云數據操作前應先進行平滑去噪處理。

3.2.2匹配拼接

由于受地形和視角的影響，為獲取完整的、全方位的三維地面信息，必須進行多測站、多視點的掃描測量，而每次架站獲取的點云數據都是基于架站儀器坐標系下的坐標，點云數據的匹配拼接就是基于多個測站點掃描儀坐標系統的點云數據整合統一到測量坐標系下的過程，主要方法有：基于點云的拼接、基于標靶的拼接和基于控制點的拼接。由于本次實驗儀器都架設在控制點上，并進行了定向，所測的點云數據都是基于同一個坐標系下，所以將控制點數據導入cyclone軟件中，自動添加約束條件即可完成匹配拼接，如圖2所示。

4　數據建模及地形圖繪制

在保證精度前提下，利用cyclone軟件對海量的點云數據進行抽稀處理，提取建筑物、道路等地物點數據并編制成二維圖形，地形點數據通過植被過濾后按成圖比例尺選擇合適的點距過濾，然后生成三維數據模型（如圖3所示），在此基礎上，進行等高距設置并生成等高線（如圖4所示），最后將圖形直接導入到CASS軟件中進行編輯處理并輸出即可，這里也可以直接將提取的地物和高程點數據以TXT格式導出，再轉化為DAT格式的CASS坐標文件，利用CASS軟件進行編輯成圖。

5　結束語

實踐證明，將三維激光掃描儀應用于大比例尺地形圖測繪中，其精度完全可以滿足測量要求，與常規測圖方法相比，三維激光掃描儀具有速度快、信息量大、精度高、實時性強、自動化程度高等優點，克服了傳統測量儀器的局限性，能夠直接獲取高精度三維數據，特別是在人員難以到達的地區有著顯著的優勢。由于激光掃描儀獲取的是海量的點云數據，同時點云數據中可能會包含有大量的地表上的雜草和樹木等數據，如何在不影響精度和建模需要的前提下實現自動、快速獲取取適當密度的點云數據有待進一步完善，解決了這一問題必將使三維激光掃描技術在地形圖測繪領域得到更廣闊的應用。

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作者簡介：朱曙光（1980-），男，河南南陽人，講師、技師，主要從事:地形圖測繪及工程測量方向生產和教學工作。