三維激光掃描儀在航道地形測量中的應用

李裕聰

摘 要：三維激光掃描技術作為測繪界的最新技術，在國內的應用還處于起步階段。本文介紹了三維激光掃描測量技術的原理和工作流程，通過三維激光掃描測量技術在航道地形測量中的運用，對此進行了總結和展望。

關鍵詞：三維激光掃描儀；航道；地形測量

中圖分類號：U612 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）08-0040-03

1916年，著名的物理學家愛因斯坦首先發現了激光的原理；1960年代，紅寶石激光器和半導體激光器相繼誕生；1964按照我國著名科學家錢學森的建議將“光受激輻射”改稱“激光”，確定了激光在我國的標準稱呼。由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，從而引起了測繪儀器行業科研人員的廣泛關注，激光技術在1980年代開始運用在距離測量方面。隨著激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器等技術的發展，激光測量技術逐步由點對點的激光測距發展為采用非接觸主動測量方式快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標的三維激光掃描測量技術。1990年代起，因為三維激光掃描系統在各項性能快速提升及價格逐步下降和應用需求的推動下，三維激光掃描技術在測繪領域成為研究的熱點，應用領域不斷擴展，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一。近幾年，我國的中海達等一些測繪儀器公司也開始具備設計和生產中高端三維激光掃描測量系統的能力，也生產出性能接近國外知名品牌的三維激光掃描儀，價格卻只有進口產品的2/3，硬件性價比突出。但是在配套數據處理軟件的研發上還沒能迎頭趕上，暫時只能使用價格昂貴的外國軟件。

1 三維激光掃描測量技術的原理和工作流程

三維激光掃描技術（3D Laser Scanning Technology）是用三維激光掃描儀獲取目標物表面各點的空間坐標（即：點云（Point Clouds）），然后由獲得的測量數據構造出目標物的三維模型的一種全自動測量技術。三維激光掃描的工作過程主要包括：

（1）數據采集；數據采集是模型重建的前提，數據預處理為模型重建提供可靠精選的點云數據，降低模型重建的復雜度，提高模型重構的精確度和速度。

（2）數據預處理；數據預處理階段涉及的內容有點云數據的濾波、點云數據的平滑、點云數據的縮減、點云數據的分割、不同站點掃描數據的配準及拼接等。

（3）幾何模型重建；模型重建階段涉及的內容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數據的處理、模型簡化和紋理映射等。

（4）模型可視化；成果輸出。

概括起來，實際上就是數據的外業采集和內業處理兩大部分。

2 三維激光掃描測量技術在航道地形測量中的運用

2.1 測區概況

一般航道地形測量的范圍是河流兩岸水沫線以上到河槽岸頂的長條帶狀地形，地表或多或少地分布有青草、蔬菜、玉米、竹、樹等植被。本次測量的河段正符合了這樣的特征，在測量前，已經用GPS-RTK進行了圖根點的布設。

2.2 外業儀器簡介

數據的采集是通過三維激光掃描儀進行三維激光掃描，獲取測區地形的三維數字模型。在本項目中，采用徠卡HDS8800三維激光掃描儀進行外業數據采集。這款儀器是瑞士徠卡公司出品的一款高端三維激光掃描儀，此款儀器集便捷性、易用性及高效性于一體，獨特的超長掃描距離使其可以廣泛用于地形、礦山、滑坡監測等領域；儀器內置有7000萬像素的高分辨率相機，掃描同時可拍攝高分辨率全景照片，并將其渲染到掃描數據上，所以點云數據為真彩色點云數據（格式：X，Y，Z，R，G，B），而無需其它相機拍照以及校準。完整的圖像細節使內業的數據分析更輕松、更高效。

2.3 內業軟件簡介

本項目使用HDS8800配套的專業數據處理軟件徠卡Cyclone進行數據處理。

徠卡Cyclone軟件是三維激光掃描領域內的主流軟件系統，該軟件是HDS掃描儀的配套軟件。用戶使用該軟件可以高效率地控制徠卡測量系統的多種HDS掃描儀。使用該軟件用戶可在工程測量、制圖、及各種改建工程中處理海量點云數據。軟件的主要特點包括：

（1）可對掃描儀的采樣密度、內置照相機曝光和分辨率等參數進行設置，并控制掃描儀完成點云數據采集；

（2）實現點云拼接、分塊處理和海量數據管理功能；

（3）自動構網和生成等高線，可輸出二維或三維圖，線畫圖，點云圖，三維模型，可輸出DXF，PTX，PTS，TXT等多種數據格式；

（4）結合徠卡公司的Cyclone軟件的點云發布和TruView網絡瀏覽工具，可實現真彩色點云數據的網絡共享。

2.4 外業數據采集

儀器設置在之前已經布設好的圖根點上對和對岸進行三維激光掃描， HDS8800僅僅只用了約30分鐘就完成了360度一圈的高密度掃描，這樣的數據采集速度往往會讓第一次接觸三維激光掃描儀的人感到很震撼。本項目需要真用到的范圍是河對岸1.5公里長的約60米寬的水邊區域。

2.5 點云數據的處理

因為是一次性掃描完成數據采集工作，所以內業沒有拼圖的工作內容。野外地形的點云數據采集完成后，即利用Cyclone軟件將點云數據導入聯想公司出品的便攜式圖形工作站進行進行去噪、抽稀提純處理，也就是把在掃描測量時，因人、飛鳥、車船等移動物從掃描視場中經過而產生的無效數據、測程超出測區的產生的冗余數據等噪聲數據過濾掉。Cyclone軟件提供了多種過濾模式：距離過濾、角度過濾、離散點過濾、邊緣過濾、面過濾等。抽稀提純則是更精確的去噪過程，在軟件中參考HDS8800掃描儀內置相機所拍攝的照片把最能真實反映地形地貌的特征點抽取出來。經過這一步驟，數據包的體積已經從開始的幾個吉字節變成了幾十兆字節。和用傳統全站儀測量法得到的地形數據差不多了，可以導出為南方CASS成圖軟件使用的DAT格式文件進行地形圖的編繪，從而得到該測區的地表數字地形圖、和等高線等成果。其實，Cyclone軟件本身也有生成DEM的功能，但因為界面是英文的，使用起來不如南方CASS方便。

經過CASS編繪后，如圖4，將掃描數據生成的地形圖成果與幾年前用全站儀按傳統測量方式獲得的地形圖成果進行疊加比對，發現二者在平面位置以及高程上都吻合的很好。

3 總結與展望

比較三維激光掃描儀和傳統的全站儀跑鏡測量的作業模式、工作強度和成果精度。利用三維激光掃描技術測繪地形圖，不需要照準合作目標，可以自動、連續、快速地獲取目標物表面密集采樣點數據，從而提高了測量的效率，使相關外業測繪流程大大簡化，外業人員的勞動強度大大減少，外業工作時間大大縮短，大部分時間轉為內業在軟件中對掃描數據的處理，內業處理的自動化程度也顯著提高。掃描儀獲取數據的成圖精度可以達到1：1000（植被影響小的情況下可以符合1：500）的地形圖的要求。在三維激光掃描儀在航道地形測量中的應用實踐中，也發現了一些問題：

（1）這種測繪方法對地形地物描述細致，但也造成了采集的數據包體積過于臃腫，對進行數據處理的計算機的硬件配置要求比較高；

（2）目前有一個比較致命的缺陷：容易受地表植被影響，與全站儀相比測量成果的高程精度相對低一些，甚至不能正確反映測點的實地高程；

（3）硬件價格已逐步“平民化”，但軟件價格還很昂貴。這也限制了三維激光掃描測量技術的普及和應用。

三維激光掃描技術作為測繪界的最新技術，在國內的應用還處于起步階段。還需要逐步的摸索，需要總結工程解決方案并形成一定的標準和規范；隨著三維激光掃描技術的不斷發展和商業化的成熟，這個新技術的應用領域和范圍也必定會不斷擴大，有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]張會霞，等.三維激光掃描數據處理理論及應用[M]，電子工業出版社，2012

[2]陳家璧，等.激光原理及應用（第3版）[M]，電子工業出版社，2013

[3]謝宏全，等.地面三維激光掃描技術與應用[M]，武漢大學出版社，2016

[4]謝宏全，等，基于激光點云數據的三維建模應用實踐，武漢大學出版社，2014

[5]謝宏全，谷風云 等. 地面三維激光掃描技術與應用，武漢大學出版社，2016