基于三維激光掃描的大比例尺地形測(cè)繪方法研究

周勉

[摘要]三維激光掃描儀可以通過與數(shù)碼相機(jī)的高度結(jié)合獲取高精度的三維矢量數(shù)據(jù)，從采集的地面數(shù)據(jù)與真實(shí)的光學(xué)影相數(shù)據(jù)匹配后，編輯后期地形圖。利用這種方式，提高了數(shù)據(jù)編輯的可靠性，縮短了成圖周期。

[關(guān)鍵詞]激光掃描；地形測(cè)繪；大比例尺 文章編號(hào)：2095-4085（2017）02-0041-02

利用三維激光掃描大比例尺地形測(cè)繪，有著廣泛的應(yīng)用前景。但是在獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)處理過程中遇到瓶頸，必須抽稀數(shù)據(jù)后，才能順利進(jìn)行編輯工作。如何快速、高效地處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)是未來研究的一個(gè)課題。

1關(guān)于三維激光掃描在地形測(cè)繪的研究

根據(jù)我國有關(guān)部門發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，我國TLS地形測(cè)繪技術(shù)有一定的規(guī)范制度，但是在目前的情況下，仍然有許多需要解決的問題：（1）由于激光掃描儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，出現(xiàn)問題時(shí)不易檢驗(yàn)，因此在維修管理方面的應(yīng)用技術(shù)較不完善，儀器誤差不易檢驗(yàn)，應(yīng)用技術(shù)與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)尚不完善；（2）由于在后期的數(shù)據(jù)處理中較為依賴人為的篩選，所以其內(nèi)頁數(shù)據(jù)的處理效率和精度方面都較低；（3）第三方專業(yè)繪圖軟件的應(yīng)用在地形繪圖過程的應(yīng)用必不可少，但是目前，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的通用繪圖工具的缺乏是制約地形繪圖工作進(jìn)步的主要原因，同時(shí)地形繪圖對(duì)軟硬件的配置標(biāo)準(zhǔn)普遍較高；（4）通過對(duì)國外市場(chǎng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，地面三維激光掃描設(shè)備引進(jìn)成本較高，同時(shí)受到我國實(shí)用商品體系構(gòu)建不足的影響，TLS地形測(cè)繪技術(shù)發(fā)展受到了嚴(yán)重的阻礙；（5）在儀器設(shè)置參數(shù)影響下，這些參數(shù)主要包括測(cè)距、置平精度以及分辨率等，在相對(duì)復(fù)雜環(huán)境中容易出現(xiàn)誤差累積問題，嚴(yán)重情況下還可能出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)絕對(duì)精度造成影響。

綜上可知，傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用效果并不理想，而T15地形測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）儀器校正和技術(shù)應(yīng)用更趨規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，例如針對(duì)TLC系統(tǒng)的驗(yàn)校、結(jié)果精確度等的評(píng)價(jià)方法和算法更加準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單，但是具體內(nèi)容需要以具體環(huán)境測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)為參考；（2）分站點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配方法在實(shí)踐應(yīng)用過程中效率更高、結(jié)果也更加準(zhǔn)確，同時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)算法，可行性更強(qiáng)。另外通過與高分辨率圖像重建技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可以為幾何地形數(shù)據(jù)同影響數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等的一體化結(jié)合提供基礎(chǔ)，為目標(biāo)識(shí)別和非地形數(shù)據(jù)剔除自動(dòng)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用處理軟件性能更高。以點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的大比例尺測(cè)繪系統(tǒng)在實(shí)踐中的應(yīng)用可以完成二次開發(fā)，為繪圖、建模一體化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)條件；（4）根據(jù)國情，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀器。高度集成測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶坐標(biāo)與大地坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)水上水下掃描一體化，擴(kuò)大TLS地形測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2三維激光掃描大比例尺地形測(cè)繪方法應(yīng)用實(shí)例

2.1工程簡(jiǎn)介

為了檢測(cè)TLS地形測(cè)繪技術(shù)的實(shí)用性能，我們進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證三維激光掃描儀在特殊困難地貌區(qū)域的成圖精度。本文選址位于地勢(shì)較為復(fù)雜的草原石城景區(qū)。此地地貌復(fù)雜，交通不便，也不利于航空攝影。測(cè)試的地區(qū)大部分為山地，并大面積裸露不規(guī)則巖石。測(cè)量的最低高程約1780 m；最高高程約1920 m；平均高程約1905 m；成圖比例尺為1：1000；面積8 km²。測(cè)量地區(qū)的地勢(shì)起伏較大，亂石遍布，而且南北部遍地山包，遮擋較為嚴(yán)重，因此以常用方式測(cè)試較為復(fù)雜，難度較大。

2.2儀器設(shè)備選用及性能

本次測(cè)量用到的是奧地利生產(chǎn)的儀器，型號(hào)為Rieg1VZ-1000。考慮到測(cè)量的精度問題，將掃描精度設(shè)置為100m處14 cm，掃描距離600m，以更為準(zhǔn)確的反映測(cè)試地區(qū)的地貌形態(tài)。在實(shí)踐測(cè)繪工作中可以通過任何一種設(shè)戰(zhàn)法完成地面掃描工作，具體操作：將三個(gè)臨時(shí)感光片設(shè)置在站點(diǎn)，在設(shè)置過程中必須保證激光掃描儀照射范圍內(nèi)設(shè)置了發(fā)射片，而感光片坐標(biāo)的確定具體可以通過GPSRTK技術(shù)測(cè)定所得。另外相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的重疊度應(yīng)當(dāng)在30%左右，這樣做的目的是保證數(shù)據(jù)檢核和后期數(shù)據(jù)拼接工作的順利完成。結(jié)合反光片坐標(biāo)值還完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。例如若實(shí)驗(yàn)區(qū)段地面掃描站數(shù)目為230站，需要完成地形測(cè)繪圖32幅，所需要時(shí)間在50 h左右，計(jì)算所得數(shù)據(jù)采集速度約為300000點(diǎn)/s。

2.3數(shù)據(jù)處理

通常情況下，三維激光掃描儀完成測(cè)量工作后，其數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，最大可達(dá)到82 GB。由于本實(shí)驗(yàn)區(qū)域范圍內(nèi)不存在特征公共地物，因此基于公共特征點(diǎn)的方法是無法完成測(cè)站數(shù)據(jù)拼接工作的，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性給予高度重視，通過感光片成像點(diǎn)完成數(shù)據(jù)拼接，通過感光片對(duì)左邊站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算方法完成同名點(diǎn)的參數(shù)變換，從而順利完成拼接。站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器上并向?qū)嵉刈鴺?biāo)轉(zhuǎn)換。這一系列數(shù)據(jù)的拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程必須保證及時(shí)將噪聲和植被剔除等，為后續(xù)制圖工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。一般情況下，針對(duì)噪聲點(diǎn)的剔除工作可以利用多視角完成，而針對(duì)植被的剔除則可以利用在線波形處理技術(shù)等來進(jìn)行。其中植被剔除基本原理如下：不同目標(biāo)地物對(duì)不同波長(zhǎng)激光掃描束的反應(yīng)存在差異，而這種差異主要表現(xiàn)在地物回波發(fā)生強(qiáng)度方面，根據(jù)這些差異可以順利識(shí)別出地物的種類和具體材質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)完成地物種類的顏色分類。另外為了最大限度保證植被剔除效果理想，在剔除工作完成后可以通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用來形成數(shù)據(jù)圖。

2.4成圖精度驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)中為了保證三維激光掃描儀成圖的精確度，通過全站儀的利用在全野外1000 m²范圍內(nèi)采集了地形圖數(shù)據(jù)。其中針對(duì)高程點(diǎn)和第五點(diǎn)選擇比較頻繁的位置進(jìn)行了對(duì)比分析，其一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；另一方面為復(fù)雜環(huán)境下測(cè)量工作的進(jìn)行也提供了新思路。

3結(jié)語

綜上所述，地面三維激光掃描儀的應(yīng)用還不夠好，應(yīng)用范圍有限，導(dǎo)致這一情況發(fā)生的主要因素包括兩個(gè)方面：一，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)結(jié)合問題；二，三維激光掃描設(shè)備成本高，普及率差，但是其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)確是不容忽視的。