三維激光掃描技術應用于大比例尺地形圖繪制

韋運程

【摘 ?要】三維激光掃描技術具有無接觸、快速記錄掃描對象表面的完整信息的特點，將其特點應用于地形測量中可有效地提高地形測繪的作業效率和成果精度。本文介紹了三維激光掃描技術應用于地形測量中的流程，對三維點云數據處理的關鍵問題進行了討論;并通過實踐案例做了具體介紹，最后進行了歸納和總結。

【關鍵詞】三維激光掃描;地形圖

1引言

三維激光掃描技術是一種新興的測繪技術，能夠進行全自動、高精度、高效率、遠距離地立體掃描，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，又被稱為“實景復制技術”。傳統的地形圖測量方法如全站儀、RTK等均是離散點采集，獲取信息量不夠全面，且存在采點困難，如測量人員無法到達或信號接收不佳，導致效率低下;若采用航空攝影測量、遙感等方法，雖然速度快，也可獲取大量信息，但是成本代價過高。地面三維激光掃描技術的出現，為地形圖測繪，尤其是大比例尺地形圖，提供了新的思路。

2三維激光掃描技術在地形測繪的優勢

2.1常規地形測繪的現狀

常規地形測繪方法一般采用全站儀和GNSS RTK方式進行地形圖測繪，這兩種方式應用時間比較久，流程非常成熟，而且現在儀器較廉價，但也存在如下缺點：

（1）測量效率不高。常規測量方法通常需要測量人員到達測量點進行實地作業才能完成數據采集，對于大面積或不易到達的測區，通常需要耗費大量的人力、物力和時間，因而測量效率不高。

（2）測繪成果單一。常規地形測量通常采集的是離散點數據，對于內業人員來說無法對測區實際情況有詳實的了解，往往需要與外業人員反復溝通;繪制出來的地形圖以平面顯示反映真實三維地形地貌，具有一定的片面性和局部性。

2.2地面三維掃描技術的優勢

隨著計算機硬件、軟件、制造工藝的快速發展，出現了專門用于測繪的三維激光掃描儀。三維激光掃描儀主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信號，從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。與常規地形測繪方式相比，雖然目前三維激光掃描數據采集和處理技術對硬件要求較高，儀器設備相對昂貴，但其優點也非常突出：

（1）無接觸測量。三維激光掃描技術對施測區域無接觸掃描測量，直接獲取掃描區域內地形地物空間三維信息和其他屬性信息，反映測區的全面真實地形地貌;對于一些人力難以或更不不能達到區域尤為適用，這都是常規測量方式無法比擬的。

（2）掃描速度快。目前，三維激光掃描系統掃描速度最高已達百萬點每秒，對于逐點測量這種常規測量來說是無法企及的。

（3）分辨率高。三維激光掃描可以進行高質量、高密度掃描，測點精度和掃描點間距可以到毫米級。

（4）應用廣泛、適應性強。由于三維激光掃描具有卓越的技術特點，因此其在工程建設各領域應用日益廣泛。而且該技術對使用條件要求不高，可以全天候作業，適合野外作業。

3點云數據處理

應用三維激光掃描技術完成外業數據采集后，還需用專門的軟件對獲取的大量點云數據進行處理，才能得到最終成果。其中點云數據處理主要包括以下四個環節。

（1）點云拼接。由于外業數據采集時，受到測區通視條件影響，同時三維激光掃描儀掃描范圍也有限，通常不能夠一站覆蓋整個測區，而是需要進行多站掃描，最終實現多站點云數據的拼接。

（2）點云過濾。三維激光掃描儀在掃描過程中會掃描到植被、行人、車輛等對繪制地形圖無用的點，在繪制地形圖之前必須把這些無用點盡可能剔除，否則會影響到最終成果的精確性。目前點云過濾采用人機協作來處理。

（3）坐標系的統一。三維激光掃描出的數據往往是以各測站為基準的掃描坐標系，實際生產應用中是大地坐標系或者獨立坐標系，這就需要把掃描儀坐標系轉換到大地坐標系或者獨立坐標系中。因此，在進行三維激光掃描之前，需要布設一些滿足測圖精度要求的控制點，在這些控制點上架設標靶，掃描過程中把這些標靶也掃描進來，從而使得這些控制點同時具有掃描坐標和大地坐標或者獨立坐標，方便后續的坐標轉換。

（4）地形（貌）特征點（線）提取。掃描的點云數據通過拼接、過濾、坐標系的統一這些預處理之后就可以進行地形圖繪制工作。通常的做法是在點云處理軟件中提取地物（貌）的特征點（線），把這些特征點（線）導入到第三方專業繪圖軟件中進行地形圖繪制。

4應用實倒

采用天寶最新推出的TX8三維激光掃描儀在某小區進行三維激光掃描。小區內樹木繁茂，通視條件不佳。一臺外業設備，一人四小時完成12萬平方米區域掃描，數據處理及內業地形圖繪制一人三天即可完成，充分體現了三維激光掃描技術在地形測繪中作業效率高、成圖精度高的優勢。

4.1數據采集

天寶TX8采用脈沖波技術，在掃描速度百萬點/秒情況下，120米測程保持測距精度優于2mm，保證了掃描數據的精度;在18%～90%反射率條件下掃描得到>=80%的數據，保證了測區信息的完整性;采用天寶專有的“Lighting”技術，在掃描過程中平滑點云數據、抑制噪聲，使得掃描出的點云非常純凈，大大減少了內業濾波時噪點刪除的工作量;360°×317°超大掃描視場角，保證一次掃描范圍更廣，可有效減少測站數，提高外業作業效率。

在測區均勻布設了7個圖根控制點，掃描過程中同時對這些圖根控制點上的標靶也進行掃描，總計掃描了38站。

4.2點云數據處理

點云數據拼接。采用天寶RealWorks軟件的“無目標自動拼接”功能實現不同測站點云數據拼接，拼接總體精度在2.6mm。利用4個圖根控制點進行坐標轉換，內符合精度在7mm。

4.3大比例尺地形圖制作

4.3.1地面點、非地面點分離

非地面點是指植被、房屋、路燈、電線等非地面數據。這些數據的存在會影響地面三維模型的生成，所以在建立地面三維模型前需要進行地面點與非地面點分離。本實驗在天寶RealWorks軟件中，利用地面點濾波工具，通過設置格網大小及地面點厚度進行地面點與非地面點分類，得到的地物點。

4.3.2提取地物特征點與特征線要素

利用AutoCAD2008軟件提供的樣條曲線工具等功能命令手工繪出道路、國旗臺、路燈等地物的特征點與特征線要素。

4.3.3地形圖繪制與編輯

在AutoCAD2008軟件中手工提取地物特征點線后以DXF的格式輸出，然后在CASS9.0軟件中打開文件，依據地物特征點線按照1：500比例尺要求繪制地物符號。在CASS9.0軟件可完成地形圖的整飾。

5結語

三維激光掃描儀可以高精度地、無接觸、自動高速地獲取局部地物細節信息，復雜地物多特征信息及危險區域信息，在大比例尺地形圖制圖方面具有顯著的優勢。但是由于掃描精度較高，點云數據數據量龐大，并存在許多冗余信息，內業時間花費較多，如何在不影響精度的前提下快速制圖是今后的一個重要研究方向。

參考文獻：

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