三維激光掃描測量系統的應用及解析

賀健

摘? 要：隨著科學技術水平的不斷提高，測繪成果數據逐步向大數據、專題數據和模型化方向發展。傳統的數據采集和處理模式已無法滿足現代測繪成果的生產需求，因此新的測繪技術和設備孕育而生且得到快速發展，三維激光掃描測量系統作為當今先進的測量設備逐漸得到普及。該文就三維激光掃描測量系統的優點、構成、成果類型及應用領域作一些解析。

關鍵詞：三維激光掃描;測繪行業;測繪數據

中圖分類號：TP274? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

三維激光掃描測量系統的硬件主要由激光掃描傳感器、航測相機、慣性導航系統、全景影像系統和差分定位系統（DGPS）組成，能夠自動、快速、精確地采集空間三維數據。具有受天氣環境影響小、數據采集時間短、效率高、生產成本低等特點。通過疊加高分辨率相機可獲取高精度三維地表地形數據和清晰的地面影像，得到高精度的數字高程模型和正射影像圖，最終精確獲得用戶所需1∶500、1∶1000、1∶2000等不同比例尺的數字圖、影像圖及各類專題數據成果。測繪技術的發展為三維激光掃描測量系統提供了廣闊的應用前景。

1 三維激光掃描測量系統具有的優勢

該系統具有以下5種優勢。1）是一種非接觸式主動測量方法，受環境影響和限制較小。2）與傳統測繪相比較，通過差分定位系統（DGPS）控制工作可以大大減少，根據測區大小、精度要求只需要布設一個或多個GPS基準站。3）采集速度快、測量精度高、外業作業工作量少，處理自動化程度高。4）可以安全地對危險地區進行遠距離、高精度的三維測量。5）穿透性，基于多次回波原理，激光能穿透植被達到目標表面。

2 三維激光掃描測量系統的組成及主要部件

三維激光掃描測量系統以動力三角翼、無人機或有人機（旋翼機或固定翼飛機）、汽車、摩托車及人背等為載體平臺，高度集成激光掃描傳感器、航測相機、慣性導航系統、全景影像系統、差分定位系統（DGPS）及控制電路，同步采集高精度三維激光點云數據、正射影像數據、全景影像數據、慣性導航（定位定姿）數據及差分定位（DGPS）數據，經過后期的數據處理軟件進行融合、計算、解析、糾錯等，自動快速地生成點云數據及數學高程模型（DEM）、數學表面模型（DSM）和數學正射影像圖（DOM），制作數字規劃地圖（DLG）和3D模型。三維激光掃描測量系統分為3個部分。硬件平臺、后處理軟件平臺、載體平臺。

2.1 三維激光掃描測量硬件平臺

三維激光掃描測量硬件平臺主要由激光掃描傳感器、航測相機、慣性導航系統、全景影像系統和差分定位系統（DGPS）組成。

激光掃描傳感器是三維激光掃描測量硬件平臺的核心部分。目前，比較成熟的是奧地利RIEGL激光測量系統公司生產的RIEGL系列激光傳感器，以VUX-1LR激光傳感器為例，其主要技術參數是：激光等級I級;激光測距范圍/物體反射率1350/60%、820m/20%;掃描頻率75萬點/s;測距精度15mm@150m;角分辨率，0.001°;掃描速度， 200線/s、程最大測程1 350 m、最小測量距離5 m、激光發散度0.5 mrad、激光脈沖發射頻率820 kHz、回波信號強度每個回波具有16位高分辨率強度信息近紅外。

RIEGL技術具有全回波信號數字化和在線波形處理技術以及多周期回波（MTA）處理功能，MTA在激光測距過程中，遇到反射物時經過多次往返周期與累計時間相比求平均值，得到激光往返一個周期的時間，從而計算出距離。多回波技術具備穿透植被到達地面，從而獲取地面點云的能力，解決了傳統航測在植被茂盛地區無法獲取高精度DEM的問題。

慣性導航系統（INS），該系統主要由陀螺儀和加速度計組成，陀螺儀采集和建立坐標系統，將加速計的測量軸置于其中，并向加速計提供航向和姿態角數據，結合加速計采集的加速度數據和時間數據得到距離，從而解算出三維激光掃描測量系統在導航坐標系中連續的速度和位置，得到所需的坐標數據。

航測相機主要用于采集正射影像數據，形成正射影像圖。

全景影像系統集成了5臺側面和1臺頂部的高清CCD相機，6臺相機固定在一個防塵防水的金屬機械殼中，以10 fps的采集速度移動采集數據。從6個方向得到真實的圖像，并通過自身的拼接軟件實時完成圖像的處理、拼接和校正，將多臺相機采集的圖像組合成一幅高分辨率數字全景的圖像。

差分定位系統（DGPS）是在位置已精確測定的一個或多個已知點上安裝GPS接收機作為基準站并和用戶同時進行GPS觀測，采集GPS數據，通過計算得到觀測點到衛星的偽距，比較偽距與已知的精確距離數據，計算得出觀測點的測量誤差，基準站向觀測點發布測量誤差修正值，觀測點依據修正數據改正觀測值，提高本觀測點的觀測精度。三維激光掃描測量系統硬件平臺集成了以上技術和設備，結合控制電路，形成數據采集、分析、融合、高速輸出的硬件平臺。

2.2 后處理軟件平臺

后處理軟件平臺按應用軟件可分成3類。1）數據采集類和預處理類軟件，包括航線規劃、線路規劃、機載/車載集成操控軟件、軌跡數據處理軟件和數據融合糾偏軟件等。2）數據處理軟件，包括點云處理軟件。3）生產及發布軟件，包括專題測圖軟件、街景數據生產軟件、三維全景發布平臺軟件、三維激光數字測圖軟件和城市點云三維建模軟件等。

2.3 載體平臺

載體平臺包括動力三角翼、直升機、無人機、汽車、摩托車、人背等載體平臺。大面積地測量使用三角翼、直升機搭載。禁飛區、城市、道路使用汽車、摩托車搭載。細部及室內測量采用人背儀器的方式進行測量。通過搭載方式的轉換可以使三維掃描系統在測繪生產中得到全面應用。

3 主要成果

3.1 三維立體模型

通過激光點云和全景影像數據以及機載航拍獲取的DOM和立體像為數據等輔助構建被測物體（如建筑、道路、地形等）建立精細模型。配合3DMax平臺實現多源數據管理，以此來支持激光點云、全景、DOM、DLG、模型、紋理數據等工程管理。

3.2 三維實景

通過對全景相機采集的數據進行拼接，然后通過點云的建筑物面片采集、深度圖制作、全景影像的人臉車牌模糊、全景影像切片等數據進行處理后，用專業應用發布平臺發布。例如谷歌地圖、百度地圖、騰訊地圖等都使用了該成果。

3.3 數字高程模型（DEM）

在經過點云粗分類到精分類流程后，通過軟件按照格網間距自動生成DEM，再經過人工的編輯和修改，形成高精度數字高程模型（DEM）。

3.4 正射影像圖（DOM）

由系統中搭載航測相機采集正射影像圖數據。

3.5 數字線劃圖（DLG）

采用正射影像圖DOM通過立體采集的方法得到DLG，是航攝技術應用最為廣泛的一種方法，技術十分成熟。三維激光掃描系統的加入，讓DLG在生產過程中有點云數據作為參考和檢查，對提高數據質量，減少外業核查工作量有極大的幫助。

為了不斷滿足測繪應用市場擴大的需求使各種專題測繪成果數據得以開發和應用，筆者只列舉了目前較為常用且基礎的幾類數據，以供參考。

4 應用領域

三維激光掃描測量系統廣泛應用于地理信息（GIS）采集、街景地圖制作、安防監控、體驗式娛樂、電力巡檢、洪水分析、公路勘測設計、鉆孔勘探、森林普查、海岸島礁測量、挖填方計算、考古調查與測繪、應急測量和地形測繪等領域。

5 結語

近幾年來，三維激光掃描測量系統憑借集成化程度高、生產效率高、周期短、成果類型豐富和應用領域廣泛等特點，受到測繪行業和用戶的追捧。目前，其主要部件都是國外生產，售價較貴，一定程度上阻礙了在國內的應用。國內高新企業的加入加快了它的研發與生產進度，不久的將來，自主研發的三維激光掃描測量系統就能在測繪生產得以廣泛運用，這將給我國社會經濟建設、空間數據發展和測繪行業的更新換代帶來深遠影響。

參考文獻

[1]哈志強，袁兵，林文修，等.三維激光掃描技術在石寶寨測繪中的應用[J].重慶建筑，2019，18（6）：16-17.

[2]高東志.三維地形測繪巧用三維激光掃描、無人機航測[J].建筑工人，2018，39（8）：10-12.

[3]王漢辰.三維激光掃描技術在古建筑修復中的應用[J].人文天下，2017（20）：38-40.