魏士春

（山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101）

1 引言

當(dāng)今城市發(fā)展日新月異，城市街道兩側(cè)遍布高樓大廈，為滿足城市規(guī)劃建設(shè)需要，迫切需要對(duì)城市進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪工作，然而，遍布城市的高樓大廈建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，加之城市中車輛、人流較多，商鋪林立，給地形測(cè)圖工作帶來(lái)了很大困難，傳統(tǒng)的測(cè)繪作業(yè)模式已不能滿足當(dāng)前測(cè)繪工作的需要。隨著技術(shù)的進(jìn)步，三維激光掃描技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的較為成熟的技術(shù)，其自身的諸多優(yōu)勢(shì)，為測(cè)繪行業(yè)帶來(lái)了新的技術(shù)突破。

2 當(dāng)前城市大比例尺測(cè)圖現(xiàn)狀

就我國(guó)目前情況來(lái)看，大多數(shù)城市及地區(qū)均已對(duì)城市建成區(qū)進(jìn)行了大比例尺地形圖測(cè)繪并建立了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)字城市建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃管理等工作中發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著城市發(fā)展的日新月異，特別是近幾年城市建設(shè)的突飛猛進(jìn)，城市面貌煥然一新，原有地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性及更新速度已跟不上城市建設(shè)的步伐，因此，如何實(shí)現(xiàn)城市大比例尺地形圖的快速更新工作就顯得尤為重要和迫切。如何快速高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形圖更新是測(cè)繪工作的重要考慮因素。當(dāng)前，大比例尺地形圖測(cè)繪方法主要有以下幾種：

①全站儀法：本方法是數(shù)字地形圖測(cè)繪最常用的作業(yè)模式，該方法利用全站儀野外設(shè)站逐點(diǎn)采集目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，配合電子平板或者手繪草圖的方法測(cè)繪地形圖，該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)站靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要逐點(diǎn)測(cè)繪、內(nèi)外業(yè)工作量較大、對(duì)作業(yè)人員素質(zhì)要求較高、比較費(fèi)時(shí)且作業(yè)效率不高。

②GNSS RTK法：本方法是利用RTK連接基準(zhǔn)站或者GNSS CORS站等作業(yè)模式直接采集目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)配合電子平板或者手繪草圖的方法進(jìn)行作業(yè)，該方法較全站儀法采集點(diǎn)更加便捷，但是由于受周圍環(huán)境影響較大，遇到信號(hào)遮擋等情況將無(wú)法作業(yè)，特別是城市大比例尺測(cè)圖中，受周圍建筑物及樹木遮擋嚴(yán)重，該方法基本無(wú)法使用。

③無(wú)人機(jī)航測(cè)法：該方法是近幾年新興的低空航測(cè)測(cè)繪方法，其具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、作業(yè)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)講，其并不適用于城市大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，無(wú)人機(jī)航測(cè)空域申請(qǐng)?jiān)诔鞘薪ǔ蓞^(qū)申請(qǐng)較為困難，其測(cè)繪精度根本無(wú)法滿足大比例尺測(cè)圖的需要。

3 三維激光掃描測(cè)量方法簡(jiǎn)介

三維激光掃描測(cè)量的方法就是大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它屬于一種立體測(cè)量技術(shù)，又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼全球定位系統(tǒng)技術(shù)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破[1]。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，它能完成對(duì)復(fù)雜物體的測(cè)量，它的特點(diǎn)就是快速性、不接觸性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高密度、高精度獲取地面的三維信息[2]。

三維激光掃描儀主要是一部快速準(zhǔn)確的激光測(cè)距儀加上一組可導(dǎo)引激光，以等速度掃描的反光棱鏡加高清攝像機(jī)組成。從掃描的空間位置或系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)來(lái)劃分，可分為手持式激光掃描儀、地面型三維激光掃描儀、機(jī)載型三維激光掃描儀，在城市大比例尺地形圖測(cè)繪作業(yè)中一般應(yīng)用地面型三維激光掃描儀。激光測(cè)距儀采用脈沖式測(cè)量，可以在主動(dòng)發(fā)射激光的同時(shí)接收來(lái)自自然物體的反射信號(hào)并進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，配合掃描的水平角和豎直角，可以求得每一掃描點(diǎn)與測(cè)站點(diǎn)之間的坐標(biāo)差，若測(cè)站點(diǎn)和一個(gè)定向點(diǎn)的坐標(biāo)為已知值，則可以求得每一掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市以及軍事分析等領(lǐng)域也有了很多應(yīng)用。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

①非接觸測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量，對(duì)掃描目標(biāo)物探不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的空間三維數(shù)據(jù)且真實(shí)可靠?？梢杂糜诮鉀Q危險(xiǎn)目標(biāo)、環(huán)境（或柔性目標(biāo)）及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

②數(shù)據(jù)采樣率高。三維激光掃描儀可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒，采樣速率是傳統(tǒng)測(cè)量方法難以比擬的。

③主動(dòng)發(fā)射掃描光源。三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光源（激光），通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息，因此，在掃描過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間的約束。

④高分辨率、高精度。三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

⑤數(shù)字化采集，兼容性好。三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。用戶界面友好的后處理軟件能夠與其他常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享。

⑥可與GPS系統(tǒng)配合使用。這些功能大大擴(kuò)展了三維激光掃描技術(shù)的使用范圍，使其對(duì)信息的獲取更加全面、準(zhǔn)確。內(nèi)置數(shù)碼攝相機(jī)的使用，增強(qiáng)了彩色信息的采集，使掃描獲取的目標(biāo)信息更加全面。GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用使得三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，與工程的結(jié)合更加緊密，近一步提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 三維激光掃描測(cè)量作業(yè)方法

用三維激光掃描儀以每秒約1百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的掃描速度，對(duì)被掃物體進(jìn)行快速高效的掃描，迅速得到被掃物體的各點(diǎn)三維坐標(biāo)，得到反映被掃物體空間位置信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，通過(guò)專業(yè)大數(shù)據(jù)處理軟件及快速加載等技術(shù)的處理，將海量數(shù)據(jù)瞬間加載，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，就可以得到被掃物體立體的三維模型。

基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行城市大比例尺測(cè)圖的作業(yè)方法主要有以下幾個(gè)步驟（如圖1所示）。

圖1 作業(yè)步驟

4.1 測(cè)區(qū)踏勘

首先要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解整個(gè)測(cè)區(qū)的概況，初步劃分掃描作業(yè)區(qū)域，同時(shí)收集測(cè)區(qū)內(nèi)已有的地形圖、控制點(diǎn)等成果資料，另外，在測(cè)區(qū)內(nèi)尋找可利用的外接電源，以便為掃描儀提供外接電源。

4.2 控制點(diǎn)布設(shè)

要在測(cè)區(qū)的有效觀測(cè)范圍內(nèi)布設(shè)足夠數(shù)量的控制點(diǎn)，各控制點(diǎn)間要保證至少與一個(gè)點(diǎn)通視，各點(diǎn)間的距離大致相等，以間距150～200m為宜，控制點(diǎn)應(yīng)選擇在利于安置儀器且不易受外界環(huán)境影響的地方。將GPS定位和三維激光掃描儀測(cè)量結(jié)合起來(lái)，可將三維激光掃描成果轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系中[3]。布設(shè)控制點(diǎn)的目的就是利用其實(shí)現(xiàn)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描坐標(biāo)系到絕對(duì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。控制點(diǎn)布設(shè)方法有GNSS RTK法及全站儀導(dǎo)線法，控制點(diǎn)的精度決定了點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系的精度。

4.3 點(diǎn)云采集

在控制點(diǎn)附近選擇適當(dāng)位置設(shè)站采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描站點(diǎn)必須選擇在平坦、穩(wěn)定的地方，嚴(yán)禁在路上的非固定石板、石塊、雜草叢生或者土質(zhì)松軟處安置儀器，在保證精度的情況下，每個(gè)掃描站點(diǎn)應(yīng)能最大限度地掃描目標(biāo)場(chǎng)景，并且盡量保證每個(gè)掃描站點(diǎn)上無(wú)被遮擋區(qū)域，受周圍人員、車輛等影響較小。根據(jù)測(cè)量要求和實(shí)際情況，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)標(biāo)靶。標(biāo)靶應(yīng)布設(shè)在不同掃描區(qū)域內(nèi)的重疊區(qū)內(nèi)，至少要布設(shè)3個(gè)以上的標(biāo)靶，各個(gè)標(biāo)靶不能布設(shè)在一條直線上，標(biāo)靶的高度盡量與設(shè)站高度相當(dāng)。設(shè)站點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)距離不宜大于150m，為了滿足各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的需要，相鄰兩站之間至少要保證4個(gè)同名點(diǎn)，為了使標(biāo)靶在點(diǎn)云上判讀起來(lái)更清晰，要控制在距離設(shè)站點(diǎn)30m以內(nèi)。

在掃描站點(diǎn)上安置好儀器并設(shè)置好掃描分辨率等參數(shù)開始掃描，當(dāng)使用標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行高分辨率掃描，以確保靶心坐標(biāo)的提取精度。掃描過(guò)程中應(yīng)盡可能避免人員走動(dòng)，以減少儀器震動(dòng)引起的掃描異常。每站掃描結(jié)束后，應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)，判斷是否有遺漏和重復(fù)掃描區(qū)域，檢查標(biāo)靶的空間采樣率是否符合要求等。

在控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀實(shí)測(cè)標(biāo)靶坐標(biāo)。標(biāo)靶定位的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響到點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理精度。

4.4 點(diǎn)云處理

點(diǎn)云處理是三維激光掃描作業(yè)的重點(diǎn)，雖然地面三維激光掃描作業(yè)獲取數(shù)據(jù)速度非常快，但因其數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理需要花費(fèi)大量時(shí)間，一般每種掃描儀都配備專用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。點(diǎn)云處理主要分為點(diǎn)云降噪、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云化簡(jiǎn)及三維建模等工作。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含大量的噪聲，噪聲來(lái)源多種多樣，如非被測(cè)目標(biāo)物點(diǎn)、周圍震動(dòng)引進(jìn)的掃描異常點(diǎn)等，可通過(guò)人工選擇刪除及軟件自動(dòng)去除兩種方式消除噪聲。由于每一站所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)均處于以當(dāng)前掃描站為基準(zhǔn)的掃描坐標(biāo)系下，為了得到整個(gè)區(qū)域的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須將每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，可通過(guò)標(biāo)靶定位來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。地面激光掃描獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)一方面能詳細(xì)描述被測(cè)物體特征，但另一方面也為數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了很大困難，過(guò)多地占用計(jì)算機(jī)資源，造成數(shù)據(jù)處理緩慢，因此，需要?jiǎng)h除對(duì)作業(yè)任務(wù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化后以利于后續(xù)操作。

表1 平面高程精度對(duì)比表

在城市大比例尺地形圖三維掃描作業(yè)中，建議采用基于控制點(diǎn)的單站配準(zhǔn)方法進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)[4]，該方法由于與控制網(wǎng)相連，因此，能夠直接將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系中，具有精度高、誤差不積累、內(nèi)業(yè)處理時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。該方法的作業(yè)步驟如下：首先在待掃描區(qū)域建立統(tǒng)一控制網(wǎng)，然后將待測(cè)區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，每一子區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)標(biāo)靶，標(biāo)靶個(gè)數(shù)不得少于三個(gè)。利用地面三維激光掃描儀對(duì)每一子區(qū)域進(jìn)行掃描，同時(shí)利用全站儀實(shí)測(cè)標(biāo)靶坐標(biāo)，得到標(biāo)靶在統(tǒng)一控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。提取標(biāo)靶在當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，利用標(biāo)靶的兩套坐標(biāo)，即可獲取每一子區(qū)域掃描儀坐標(biāo)與全站儀坐標(biāo)的變換參數(shù)。由于全站儀測(cè)得的標(biāo)靶坐標(biāo)已經(jīng)在一個(gè)統(tǒng)一的控制網(wǎng)坐標(biāo)系下，因此，利用每一子區(qū)域的變換參數(shù)將每站掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至全站儀坐標(biāo)系下，就已構(gòu)成了在統(tǒng)一控制網(wǎng)坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而直接完成多站點(diǎn)云的配準(zhǔn)。

4.5 要素矢量化

以處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在專業(yè)軟件中采集相應(yīng)地物、地貌特征點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)矢量化，矢量化完成后導(dǎo)出為DXF格式成果文件，方便導(dǎo)入CAD中。

將矢量化的DXF成果文件導(dǎo)入測(cè)圖專業(yè)軟件中進(jìn)行符號(hào)化、圖廓整飾等工作。

4.6 外業(yè)檢查

對(duì)成果圖進(jìn)行外業(yè)巡視檢查，對(duì)與實(shí)地不符的要素進(jìn)行修補(bǔ)更正，直至正確無(wú)誤。

5 應(yīng)用實(shí)例

重慶市沙坪壩區(qū)某新建小區(qū)，建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，園林綠化造型各異，如果采用傳統(tǒng)測(cè)繪方法難度較大，效率較低，采用地面三維激光掃描測(cè)繪作業(yè)可以快速高效地獲取測(cè)區(qū)三維地理信息數(shù)據(jù)。

首先經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘了解了測(cè)區(qū)的基本情況，利用重慶CORS系統(tǒng)采用GPS-RTK方式布設(shè)圖根控制點(diǎn)16個(gè)，控制點(diǎn)間距150m左右，采用徠卡高效一體化ScanStation C10三維激光掃描儀進(jìn)行三維激光掃描測(cè)繪作業(yè)，采用基于控制點(diǎn)的單站配準(zhǔn)模式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，根據(jù)測(cè)區(qū)范圍及掃描儀的視角，將整個(gè)測(cè)區(qū)劃分為8個(gè)子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域中設(shè)置了8～15個(gè)標(biāo)靶，利用全站儀在控制點(diǎn)上實(shí)測(cè)各標(biāo)靶的坐標(biāo)，利用掃描儀在各個(gè)區(qū)域中進(jìn)行掃描，并對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行精掃。內(nèi)業(yè)采用Cyclone7.1軟件進(jìn)行點(diǎn)云降噪、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云化簡(jiǎn)及矢量化等工作，利用南方測(cè)繪Cass9.2成圖軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯成圖并進(jìn)行外業(yè)檢核修改。經(jīng)試驗(yàn)精度符合要求（見表1），作業(yè)效率相比傳統(tǒng)測(cè)繪方法提高5～8倍以上。

6 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市大比例尺測(cè)圖中，具有傳統(tǒng)測(cè)繪方法無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，采用基于控制點(diǎn)的單站配準(zhǔn)方法進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)的地面三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)是城市大比例尺地形圖測(cè)繪作業(yè)時(shí)比較可靠實(shí)用的作業(yè)模式。三維激光掃描測(cè)繪作業(yè)克服了傳統(tǒng)測(cè)繪方法單點(diǎn)測(cè)量、速度慢等缺點(diǎn)，極大地減少了外業(yè)測(cè)繪的難度及工作量，采集的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確可靠，采集數(shù)據(jù)信息豐富，能夠極大地提高測(cè)繪作業(yè)效率，地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為空間信息獲取提供了新的手段，應(yīng)用前景廣闊。