三維激光掃描技術在地理測繪中的優勢與應用

胡明明 江西省核工業地質局二六五大隊

一、三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描技術是20 世紀末出現的一項新的激光應用技術，該技術突破了GPS 測繪技術的局限，被看作是測繪技術的一次重大革命。三維激光掃描技術所用的是激光測距，通過對目標進行激光照射，通過分析密集的三維坐標所反映出的各種紋理、反射等相關信息和數據，快速地將數據信息整合形成具備點、線、面、體的綜合式圖件數據集合，以便于分析被測目標的幾何構造和內部情況。三維激光掃描主要分為地面掃描儀和機載掃描儀，在地形測繪、工程測繪、變形監測等方面應用較多。三維激光掃描測繪的系統，主要由內置相機和采集器、電源構件、處理軟件和其他零部件組成，其中主要功能實現的部件包括了激光發射與接收器、可控濾光鏡、時間計數器、集成控制電路、微電腦、操作系統和其他軟件等。由激光發射器進行周期式脈沖發送，反射后的信號數據由接收器識別接收，由石英鐘式的時間校準器完成時差對接和校正，經精密計數后由系統集中處理和識別并獲得初始掃描測繪數據，最終經計算和模型構建形成X、Y、Z 三維圖件，X 為軸向垂直，Y和Z 為橫向面垂直。其中基本計算方式為：X=Scosθcosa，Y=Scosθsina，Z=Ssinθ。在計算完畢坐標點位信息之后，結合相機數據分析的紋理、外形、邊緣等信息數據，為最后的建模進行校正，確定最終的三維數字化模型。

二、三維激光掃描技術在地理測繪中的優勢

傳統的地理測繪技術主要有GNSS、RTK、GPS 等作為基礎，依靠全站儀結合衛星定位實時測繪，在野外地理測繪時多由人工實地布點，對被測目標的特征進行單獨測繪，再根據上傳的局部信息進行整合，生成CAD 等形式的二維式圖件，雖然能夠對被測目標進行相對全面的描繪，但實際上存在一定的不足，在測繪結果上會表現出圖像模型精準度不高、不能直觀表現出被測目標特征的全貌等問題。

三維激光掃描技術可以有效地完成長短距離的測繪需求，其中脈沖式的測繪技術，可以完成6km 內的高質量測繪任務，測繪過程不需要實地布點即可實現，由此縮減了工作難度和工作量。在融合傳統測繪技術的基礎上，采集以目標點周邊全范圍的連續數據信息，不僅能夠有效建立三項坐標下的立體圖像模型，還能結合顏色信息、反射率等對模型進行完善，數據在整理、拼湊、過濾后，還能除去漏洞，形成復雜地形下的等高線和特殊地形表示，從而更加直觀地展現地理特征。在測量速度方面，三維激光掃描技術逐步由1000 點/s 的測繪速度成功進化到50000 點/s 的脈沖掃描速度，而先進的相位掃描儀器，掃描速度甚至達到了百萬級的速度，由此在應對超大范圍的測繪時，可能快速完成任務獲取基本地理信息。在大數據技術的支持下，采集數據可以實現在線采集、傳輸和云存儲，實現地理測繪數據的共享，為包括虛擬實景等采樣與成模提供有效幫助。因此三維激光掃描技術實際上具有低資源消耗、高效率、高精準度、多應用方向的優勢。

三、三維激光掃描技術在地理測繪中的應用

（一）應用方案

為了保證三維激光掃描技術在地理測繪中的效果，對測繪流程進行細致安排，包括數據采集、數據處理、模型生成三大主要流程，對被測繪區域采用抽查圖像法對比地形圖，檢查點云和測繪站點的坐標位置，并在大地圖中進行比對和修正，最后根據測繪點數據和大比例尺，確認位置、高程、相對位置、外形和走勢等精準信息。

（二）數據采集

對被測區域進行綜合考察，選擇適當的位置安置掃描儀、標靶等關鍵測繪點組成，點位的選取應當位于開闊或較高的位置以增加掃描的覆蓋范圍，并且所有點應當完全覆蓋被測區域，且可以對特殊地形地勢進行精準測繪（溝壑、斷面）。除了關鍵點位掃描外，還應當設置2-5 個輔助標靶，通過對不同標靶的掃描集中采集的數據，以便進行同位數據綜合辨識，以測繪中心位置的數據為核心。同時配備全站儀、GPS 定位裝置、RTK 等對測繪中心和標靶的地理空間位置進行標注，以獲取三維坐標的基礎點位。

（三）數據處理

點云校準是數據處理的基礎，應當對較大的區域進行分化，單獨的區域測繪站數量控制在5-15 個，對分塊數據進行拼接和坐標校正，中心板塊應當選擇較為開闊的測繪點，以中心位置為基礎逐一完成拼接工作和校正處理，單一區域在拼接時應當依據上一板塊的數據進行坐標調整，拼接點應當≥4個，差值控制在2cm 內，可選擇ICP 等算法強化拼接效果，在超大區域的拼接中，中心點位應當選擇多個，降低坐標誤差。

（四）模型生成

地面三維激光掃描時為獲得詳細的地面信息，一般掃描密度較大，相對地形測繪來講其點位太密，且分布不均勻。直接利用掃描點來構三角網追蹤等值線，由于其細節信息過多，會導致等高線紊亂。因此一般將剔除非地貌因素后的點云數據按地形測繪要求的密度進行抽稀。最后將數據導入到大比例尺數字測圖軟件中，自動生成等高線。將成型的帶等高線地圖進行疊加，并去除地物生成下的多余邊緣，對缺失部分進行修復，結合點云數據手動修復至圖像光滑順暢，對圖像中的高程、輪廓、局部紋理等進行修飾，最終生成完整的測繪三維模型。

四、總結

三維激光掃描技術的出現，為當前地理測繪工作帶來了優勢輔助，通過當前的應用實踐可以看出，三維激光掃描技術能夠有效彌補地理測繪中的不足之處，并且在節約資源消耗、減少工作量、降低工作失誤等方面有著明顯效果。隨著地理測繪工作的不斷開展，工作的內容和要求必然會發生變化，因此未來將如何根據實際需求不斷完善三維激光掃描技術將會是一個長久的課題。