三維激光掃描技術(shù)在地形測量中的應用分析

鄭賢澤，朱艷軍，陶旭

(寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波 315042)

1 引 言

地質(zhì)勘探工作的開展，地下資源的詳細研究，礦產(chǎn)儲量的計算。都要求有各種比例的地形圖。地形圖是了解地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)分布的重要資料。精確而完整地表示出地貌地物的位置和高程是地形測量的主要任務(wù)[1]。地形地質(zhì)測量的方法有很多，采用的儀器隨著科學技術(shù)的進步亦是逐漸智能精確。本文主要介在地形測量工作當中采用三維激光掃描技術(shù)的流程和方法。闡述采用三維激光掃描技術(shù)進行地形圖測量與采用傳統(tǒng)方法進行地形測繪相比較的區(qū)別和特點。

2 地形地質(zhì)測量的原理和方法

地形地質(zhì)測量是將地質(zhì)體的水平投影在地形圖上描繪出來。用一定的比例尺和各種花紋符號將所有地質(zhì)體反映在地形圖上[2]。地形測量要求先進行控制測量再進行細部測量，目的是保證測量的精度減小誤差。常用的平面控制測量法方法有導線測量法、三角測量法、GPS-RTK方法等，細部測圖以控制點為基礎(chǔ)，測定地物、地貌細部點的平面位置和高程，并將其繪制成地形圖的測量工作。

傳統(tǒng)測圖方法存在周期長，精度低，受地形和周圍視線遮擋物干擾大，產(chǎn)生的誤差大，效率低等缺點，且外業(yè)陡坡測量時危險系數(shù)較高。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)了更高精度的地形地質(zhì)測量，利用三維激光掃描技術(shù)可以快速大量地獲取地形地貌的空間坐標數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)測地形地質(zhì)圖

地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表。三維激光掃描技術(shù)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實景復制技術(shù)”[3]。傳統(tǒng)的地形圖測繪方法例如采用經(jīng)緯儀進行地形圖測量或利用GPS-RTK進行地形圖測量其實質(zhì)都是通過測量工具取得逐個測點的空間位置信息，然后將每一個測點根據(jù)控制點展繪在地形圖上，測繪工作效率低；而采用三維激光掃描儀進行地形圖測量，可以在不接觸、不跑尺的情況下，單次測量即可獲取掃描儀測量范圍內(nèi)掃描目標全部測量數(shù)據(jù)，點對面的數(shù)據(jù)采集方式[4]獲取的掃描數(shù)據(jù)是一個數(shù)據(jù)集而不是單個數(shù)據(jù)。

3.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

無論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)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(fā)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。如果測站的空間坐標是已知的，則可以求得每一個掃描點的三維坐標[5]。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標。掃描點坐標計算原理及其示意圖如圖1所示。

圖1 掃描點坐標計算及掃描測量基本原理

3.2 三維激光掃描地形地質(zhì)圖測繪工作流程

三維激光掃描技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)能夠做到很大程度的智能化和精細化，以MaptekI-site8820三維激光掃描儀為例，采用I-site8820三維激光掃描儀進行精細地形測繪的主要作業(yè)流程包括測站坐標采集、點云數(shù)據(jù)處理、點云數(shù)據(jù)導入CAD或CASS生成 1∶500符合測量規(guī)范的地形圖，如圖2所示。

圖2 三維激光掃描技術(shù)測地形圖流程

3.2.1 掃描現(xiàn)場勘察

在進行地形圖測繪之前，首先對測區(qū)周圍環(huán)境進行觀察用以確定測站和標靶的位置測區(qū)現(xiàn)場勘察選擇測站和標靶位置的宗旨是：在保證能夠完整測量整個測區(qū)的前提下盡量少設(shè)置測站[6]。盡量少設(shè)置測站的目的是降低點云數(shù)據(jù)拼接過程中的誤差?，F(xiàn)場測區(qū)地形勘查的過程中需輔以對測區(qū)特殊地形的拍照。目的是在地形圖上描繪底物地貌時輔助記憶。幫助地形圖測繪編輯工作。

3.2.2 點云數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描儀的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方式與所采集到的點云數(shù)據(jù)的拼接方法是相對應的。不同的數(shù)據(jù)采集方法采集到的點云數(shù)據(jù)需要不同的數(shù)據(jù)拼接方式加以處理。本文以MaptekI-site8820三維激光掃描儀為例進行三維激光掃描地形圖測繪，點云數(shù)據(jù)獲取方法主要有3種：①利用已知控制點的數(shù)據(jù)采集方法②利用標靶的數(shù)據(jù)采集方法③利用公共特征點的點云數(shù)據(jù)采集方法[7]。

(1)利用已知空間坐標點的數(shù)據(jù)采集方法

在已知空間坐標的測量控制點處設(shè)置測站安放三維激光掃描儀以及設(shè)置標靶點安放標靶，點云拼接方法采用絕對拼接方法，測站和各個標靶的空間坐標在同一個坐標系內(nèi)，每個測站測得的空間坐標均依靠已知控制點的空間坐標解算，避免了誤差因傳遞而積累。利用已知控制點的三維激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)的方式是目前地形測量中最常用的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方式。此種方法可與GPS-RTK技術(shù)或者GNSS-RTK技術(shù)相結(jié)合，效率高、精度高、技術(shù)門檻低。

(2)利用公共標靶的數(shù)據(jù)采集方法

當不便于布設(shè)控制網(wǎng)，測站以及標靶空間坐標未知時，可以利用公共標靶進行點云數(shù)據(jù)采集。此種情況下采集的點云數(shù)據(jù)的拼接方式屬于相對坐標轉(zhuǎn)換方式。利用公共標靶進行點云數(shù)據(jù)采集時，應先觀察掃描測量目標周圍環(huán)境，選取通視條件好的位置安放掃描標靶以及測站，如圖3、圖4所示。安放點選取的宗旨是任意測站測量時能夠同時觀察到三個以上的標靶。確定標靶和測站的安放位置后進行掃描，掃描結(jié)束后，應單位再對測站掃描范圍內(nèi)的公共標靶進行一次高精度的掃描測量，目的是確保獲取精確的標靶空間坐標。利用公共標靶進行掃描測量時應保證每兩個測站之間的公共標靶數(shù)量大于4個[8]。此種點云數(shù)據(jù)采集方式適用于對建筑物的掃描測量。以上兩種方法測得的點云數(shù)據(jù)后利用公共標靶進行點云數(shù)據(jù)拼接。

圖3 標靶板以及標靶球

圖4 基于標靶球數(shù)據(jù)采集方法示意圖

(3)利用公共特征點的點云數(shù)據(jù)采集方法

利用公共特征點的點云數(shù)據(jù)采集方法，首先要根據(jù)帶掃描區(qū)域的特點確定掃描重疊區(qū)域；其次要在每個掃描重疊區(qū)域確定4個以上公共特征點；最后，對測站的位置和測站之間的通視不做特殊要求，不需要已知測站的空間坐標。測站的安放位置選擇更加寬泛[9]。在掃描過程中，只需要保證每兩個掃描站之間的掃描重疊區(qū)域面積大于等于30%。此種方法測得的點云數(shù)據(jù)拼接過程中測站設(shè)置的越多，誤差積累得越大。

3.2.3 點云數(shù)據(jù)拼接

如圖5所示，在使用三維激光掃描儀進行地形圖測量過程中，由于測區(qū)面積大地形地貌結(jié)構(gòu)復雜，同時受采用的三維激光掃描儀的性能參數(shù)指標的限制，因此為了完成整精確的測得測區(qū)的地形地貌需要從多個位置、多個視角設(shè)置測站，進行多站掃描測量，每個測站掃描得到的點云都在各自的局部坐標系下，將每個測站測得的點云數(shù)據(jù)降噪抽稀、旋轉(zhuǎn)對齊后轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系。這一過程被稱作點云數(shù)據(jù)拼接[10]。

圖5 三維激光掃描儀測量示意圖

點云數(shù)據(jù)的拼接方式主要有兩種：第一種是相對方式，相對方式是指定某一測站的坐標系為基準坐標系，其他的各個測站測量的點云數(shù)據(jù)都通過旋轉(zhuǎn)平移后轉(zhuǎn)換為該基準坐標系。此種拼接的方法優(yōu)點是方便快捷，不需要預先測得測站的真實坐標只需要公共標靶或公共特征點即可，不需要其他測量方法輔助，不需要后視標靶照準；但是此種坐標方法缺點明顯即測站越多積累傳遞的誤差越大。第二種方式是絕對方式，絕對點云數(shù)據(jù)拼接方式需要結(jié)合常規(guī)測量方法先建立測量控制網(wǎng)，將測站和靶標安放在真實坐標已知的控制點處。每一測站測得的點云數(shù)據(jù)空間坐標相互獨立，只與控制點的真實坐標系相關(guān)。采用此種方法拼接得到的點云數(shù)據(jù)精度高，不存在多站測量傳遞積累誤差，但是需要先建立測量控制網(wǎng)。地形圖測繪通常采用此種方式拼接點云數(shù)據(jù)。

3.2.4 地物地貌提取以及等高線生成

地物地貌特征點的提取可以在拼接完成后的點云數(shù)據(jù)中手工提??；也可以利用地面三維激光掃描儀相配套的后處理軟件來提取，采用配套的數(shù)據(jù)處理軟件提取底物地貌特征后可以直接導入到大比例尺數(shù)字測圖軟件(如CASS)中繪制地物。

等高線是指地面上高程相同的相鄰點所集合而成的閉合曲線。用于表示地面的起伏狀態(tài)以及坡度和地面點的高程。等高線生成前應先剔除地表植被等影響用于生成等高線的三角網(wǎng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)。再將三維激光掃描點云數(shù)據(jù)進行抽稀。抽稀的原因是采用三維激光掃描儀獲得的點云數(shù)據(jù)密度較大細節(jié)信息過多，且分布不均勻。直接采用不經(jīng)處理的點云數(shù)據(jù)會導致生成的等高線紊亂[11]。

采用三維激光掃描儀進行地形圖測時通常使用CASS軟件自動生成等高線。采用CASS軟件生成等高線的過程大致如下：①建立數(shù)字地面模型。②注記高程點的距離(米)：③修改局部不合理的地方。④等高線的修飾。

3.2.5 地形圖生成

將處理完畢的點云數(shù)據(jù)導入到CAD或CASS等制圖軟件當中生成 1∶500的符合測量規(guī)范的地形圖。

4 三維激光掃描技術(shù)在地形測量當中的優(yōu)勢

4.1 硬件方面的優(yōu)勢

(1)測量方法多樣靈活：傳統(tǒng)測圖方法基于控制點坐標采用經(jīng)緯儀、鋼尺、量角器、直尺，手動逐點測量細部點的高程和角度然后人工計算細部點的坐標，再用量角器、直尺、鉛筆，在地形圖上標注高程，坐標以及繪制地物，標記記號?；蛘卟捎萌緝x逐點測量細部點的高程和坐標，然后將數(shù)據(jù)導入到制圖軟件當中繪制成地形圖；而采用三維激光掃描測量可以與傳統(tǒng)測量方式相結(jié)合提高測量精度，或布設(shè)測量控制點在適當位置架設(shè)掃描儀，提高測量效率。

(2)數(shù)據(jù)獲取方式具有優(yōu)勢：傳統(tǒng)的測繪方式采用經(jīng)緯儀需要人工在各個測點豎立標尺以供讀取數(shù)據(jù)測程不超過 50 m，目視光學目鏡讀取數(shù)據(jù)，手動計算測點的高程和坐標，人工讀取數(shù)據(jù)，手動計算高程坐標正確率難以保證，誤差大、效率低、作業(yè)人員的健康和安全難以得到保證尤其是野外作業(yè)時上述弊端尤為明顯。采用全站儀雖然改為軟件計算高程、坐標。但測量數(shù)據(jù)仍為逐點獲取，獲取每個點的數(shù)據(jù)的時間為 2.5 s～3 s，測程不超過 150 m；而采用脈沖式長距離三維激光掃描測程為 6 km，誤差不大于 6 mm，每秒鐘獲得數(shù)百萬個三維真彩點云數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測量方式以及全站儀測量相比，真正實現(xiàn)了從點到面的飛躍[12]。

4.2 數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢

傳統(tǒng)經(jīng)緯儀獲得的測量數(shù)據(jù)需要手動計算處理，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代測繪工作的需要，采用全站儀測得的單點測量數(shù)據(jù)也需要逐個存入儀器當中，在測量結(jié)束之后統(tǒng)一導入到圖形處理軟件當中，亦處在半人工半自動化的范疇之內(nèi)；三維激光掃描儀通過公共標靶掃描或公共特征點掃描方法，利用軟件將多站測量得到的掃描點云數(shù)據(jù)拼接，利用圖片編輯軟件繪制地形圖。幾乎不需要人工計算操作即可生成等高線以及地形符號。然后將處理好的三維真彩點云數(shù)據(jù)導入加載到CAD或CASS當中，自動生成 1∶500符合測量規(guī)范的地形圖[13]。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的測量設(shè)備做地形測繪，例如平板儀測圖、經(jīng)緯儀和小平板儀聯(lián)合測圖等，都是采用人工逐點立尺作為基本手段。這是落后的測圖方法，工作量大、測量速度慢、效率低，在人員安全性上考慮，利用傳統(tǒng)的測量設(shè)備人員需要走到被測點測量其坐標，這樣就降低了人員工作的安全性。尤其是在山區(qū)測圖更為嚴重，已遠遠不適應測繪工作發(fā)展的需要。三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)無人跑尺、減輕作業(yè)強度。利用三維激光掃描儀做地形測量從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理及地形圖的繪制在工作效率及工作安全性上都得到了很大的提高，為地形測量工作帶來了新的起點和突破。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無須復雜數(shù)據(jù)后處理，提高測圖效率。且無須和被測物體接觸，可以在很多復雜環(huán)境下應用；并且可以和GPS等集合起來實現(xiàn)更強、更多的應用。三維激光掃描技術(shù)作為目前發(fā)展迅猛的新技術(shù)，必定會在諸多領(lǐng)域得到更深入和廣泛的應用。