劉陽(yáng) 王鵬飛

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3457

摘??要：地形測(cè)量難度比較大，涉及很多方面的內(nèi)容，任何一個(gè)細(xì)節(jié)控制不當(dāng)，都會(huì)影響地形測(cè)量的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)測(cè)技術(shù)存在很多的局限性，且干擾因素比較多，難以為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程建設(shè)提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)地形數(shù)據(jù)支持。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)明和有效解決了這一問(wèn)題，既能全方位獲得地形數(shù)據(jù)，也大幅度減輕了地形測(cè)量人員的工作效率，契合現(xiàn)代化地形測(cè)量的要求，值得大范圍推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地形測(cè)量 ?三維激光掃描技術(shù) ?數(shù)據(jù)采集 ?特征提取 ?精度分析

中圖分類號(hào)：P225.2;TU198???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??文章編號(hào)：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Application of Three-dimensional Laser Acanning Technology in Topographic Survey

LIU Yang WANG Pengfei

（Hebei Baoding Hebei Jiuhua Exploration and Mapping Co.， Ltd.， Baoding， Hebei Province，?071000?China）

Abstract： Terrain survey is difficult， involving many aspects of content， any of the details of improper control， will affect the accuracy of terrain survey. Traditional surveying technology has many limitations， and the interference factors are more difficult for urban planning and design and engineering construction to provide real and effective data topographic data support. The invention of three-dimensional laser scanning technology solves this problem effectively， not only can obtain the terrain data in all directions， but also greatly reduces the working efficiency of the terrain surveyors， which meets the requirements of modern terrain surveying， it is worth popularizing and applying in a large scale.

Key Words： Terrain measurement; Three-dimensional Laser scanning technology; Data acquisition; Feature extraction; Precision analysis

1三維激光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)組成構(gòu)建多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由數(shù)碼相機(jī)、帶能源系統(tǒng)、地面三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)處理軟件以及其他附屬設(shè)備等共同組成。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多高新技術(shù)和設(shè)備被廣泛應(yīng)用到測(cè)量系統(tǒng)中，三維激光掃描儀的種類也越來(lái)越多，具體而言，按照掃描平臺(tái)的不同，可細(xì)分為機(jī)載激光掃描儀、地面激光掃描儀、便攜式激光掃描儀等。按照掃描距離的不同，又可細(xì)分為短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長(zhǎng)距離激光掃描儀以及航空激光掃描儀。

三維激光掃描的工作原理是利用三維激光掃描儀內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，進(jìn)行循環(huán)掃描，從而得到被測(cè)目標(biāo)到掃描中心的距離，再通過(guò)掃描模塊的控制，以不同的角度來(lái)掃描被測(cè)目標(biāo)，得到被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1案例分析

某地形測(cè)量項(xiàng)目，總測(cè)量項(xiàng)目面積為16.58 km，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，地形地貌起伏比較大，植被茂盛，高樓聳立，最開始決定采用航空攝影方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，但由于工期比較近，在作業(yè)期間內(nèi)始終不具備良好氣象飛行條件，為避免延誤工期，擦去了三維激光掃描技術(shù)，測(cè)量比例尺為1∶2 000，基本等高距為2.0 m，取得了良好效果，值得類似地形測(cè)量中大力推廣應(yīng)用。

2.2保證外業(yè)操作質(zhì)量

在該次地形測(cè)量中為降低外業(yè)操作的質(zhì)量，減輕外業(yè)測(cè)量人員的工作量，采用1臺(tái)RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描作業(yè)，此種三維激光掃描儀的最遠(yuǎn)掃描距離為1 400 m，在水平掃描是可進(jìn)行360°無(wú)死角掃描，在垂直掃描時(shí)掃描范圍也可以達(dá)到100°，擁有獨(dú)特的全波形回波技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)數(shù)字化處理技術(shù)，可對(duì)被測(cè)目標(biāo)的所有細(xì)節(jié)信息進(jìn)行全面掃描，即便是陰雨天、地形地貌復(fù)雜的區(qū)域，也可以順利完成掃描任務(wù)。數(shù)據(jù)處理軟件采取了RisSCANPRO軟件聯(lián)合南方CASS9.1成圖系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，大大提升了數(shù)據(jù)處理速度和準(zhǔn)確性。三維激光掃描儀在進(jìn)行外業(yè)掃描中，可看成是一個(gè)具有自動(dòng)觀測(cè)功能的無(wú)棱鏡全站儀，在地形測(cè)量中可達(dá)到“所見即所得”的測(cè)量效果。

2.3加強(qiáng)對(duì)掃描過(guò)程的控制

在該次地形測(cè)量中，為獲得更加全面的地形數(shù)據(jù)，在選擇三維激光掃描儀架設(shè)位置時(shí)，要嚴(yán)格遵循“方便保存、方便使用”的原則， 并且要為其他輔助測(cè)量手段的開展提供良好的條件，并且周圍的視線要盡量開闊，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，選擇合適的三維激光掃描儀架設(shè)點(diǎn)位，該次地形測(cè)量范圍比較大，為獲得準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀架設(shè)點(diǎn)位不能少于8個(gè)。確定好架設(shè)點(diǎn)位后，將三維激光掃描儀運(yùn)輸?shù)郊茉O(shè)點(diǎn)位進(jìn)行架設(shè)，對(duì)中整平，RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀得到的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是一種以激光發(fā)射器為中心得到的自定義空間極坐標(biāo)系，為提升的測(cè)量的準(zhǔn)確，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映實(shí)際地形的空間位置，要通過(guò)操作手薄將測(cè)站坐標(biāo)和后視點(diǎn)坐標(biāo)輸入系統(tǒng)中，再通過(guò)RiSCANPRO軟件得到平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，得到空間極坐標(biāo)的“X、Y、Z”坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)瞄準(zhǔn)后視標(biāo)靶進(jìn)行精確定位，然后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)獲取，檢查后視點(diǎn)坐標(biāo)和已知坐標(biāo)的誤差是否在允許范圍內(nèi)，如果在允許范圍內(nèi)，才能掃描測(cè)量，如果誤差過(guò)大要及時(shí)調(diào)整。該次地形測(cè)量區(qū)域地形地貌起伏變化較大，僅憑RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀難以獲得溝谷、橋梁、道路等完整的測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)，這要求掃描人員在具體掃描，要做好局部精確掃描，并和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員相互配合，通過(guò)標(biāo)靶對(duì)特殊地形區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)補(bǔ)充測(cè)量。當(dāng)一個(gè)測(cè)站測(cè)量完成之后，及時(shí)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)測(cè)站按照上述步驟進(jìn)行測(cè)量，完成8個(gè)測(cè)站全部掃描作業(yè)之后，就能得到完整的地形數(shù)據(jù)，兩兩相鄰的測(cè)站，在掃描時(shí)重復(fù)掃描的范圍要控制在30%左右。掃描到的數(shù)據(jù)，及使用GPS-RTK對(duì)一些特殊、重要的點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量記錄，作為RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確度驗(yàn)證的參考數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)處理

該測(cè)區(qū)測(cè)量中，采取了RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，其理論掃描速度為12 000點(diǎn)/秒，因此，會(huì)得到大量數(shù)據(jù)，大大增加了內(nèi)業(yè)工作量，對(duì)數(shù)據(jù)處理軟件和硬件的配置，以及數(shù)據(jù)處理人員的綜合技術(shù)水平都有很高的要求。為減輕數(shù)據(jù)處理工作量，提升數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和速度，可從以下幾個(gè)方面同時(shí)入手。

2.4.1 做好數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)掃描得到的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)絉iSCANPRO軟件中進(jìn)行預(yù)處理，現(xiàn)場(chǎng)錄入的測(cè)站信息、后視坐標(biāo)數(shù)據(jù)等進(jìn)行復(fù)核，并將GPS-RTK實(shí)測(cè)的特征點(diǎn)導(dǎo)入RiSCANPRO軟件中進(jìn)行對(duì)比分析，以保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配的準(zhǔn)確性。在具體測(cè)量中，不可避免地會(huì)受到周圍環(huán)境變化以及設(shè)備自身穩(wěn)定性的影響，掃描數(shù)據(jù)中通常含有很多噪點(diǎn)，常見的噪點(diǎn)有裸巖表面點(diǎn)、流動(dòng)物體點(diǎn)等， 這就需要通過(guò)孤點(diǎn)過(guò)濾或者是拓?fù)溥^(guò)濾的方法來(lái)去除噪點(diǎn)，以提升數(shù)據(jù)的使用質(zhì)量。

2.4.2掃描數(shù)據(jù)

RiSCANPRO軟件在進(jìn)行RIEGL VZ-1000三維激光掃描數(shù)據(jù)處理中，掃描數(shù)據(jù)有多種顯示模式，包括二位模式、三維模式、全景視圖模式等。需要結(jié)合實(shí)際需求選擇顯示模式，三維模式就能清楚看到地形和地物的形狀，對(duì)特殊位置，如溝壑、河流、道路、車站、學(xué)校、醫(yī)院等，可用不同的符號(hào)或者是點(diǎn)和線進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記清楚后即可導(dǎo)出，導(dǎo)出的格式通常為DXF格式，再結(jié)合補(bǔ)充測(cè)量的特征數(shù)據(jù)，就能為地形圖的編輯提供數(shù)據(jù)支持和基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

2.4.3 數(shù)據(jù)拼接

為保證RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀測(cè)量結(jié)果的完善性，需要對(duì)各個(gè)測(cè)站得到是掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，在該次地形測(cè)量中，采取了迭代最近點(diǎn)算法拼接方法，能夠擬合出相互匹配的起伏曲面，再通過(guò)RiSCANPRO軟件的補(bǔ)充完善，就能完成各個(gè)測(cè)區(qū)掃描數(shù)據(jù)的拼接任務(wù)。

2.4.4數(shù)據(jù)過(guò)濾

采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度非常大，有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是有用的、有價(jià)值的，有的則是毫無(wú)價(jià)值的，為減輕后期計(jì)算工作量，剔除無(wú)價(jià)值的數(shù)據(jù)，就需要做好數(shù)據(jù)過(guò)濾工作。主要方法為：按照地形測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，采用曲率采樣的方法對(duì)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，在曲率比較大的區(qū)域，盡量保留多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映出曲面的特征。而那些比較平緩的區(qū)域，則可以盡量多地去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在滿足地形測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，控制點(diǎn)云數(shù)據(jù)在78 300個(gè)左右即可。

2.4.5 生成地形圖

RiSCANPRO軟件中導(dǎo)出的DXF格式文件，通過(guò)南方CASS軟件打開，導(dǎo)入補(bǔ)充測(cè)量調(diào)整數(shù)據(jù)和其他標(biāo)記信息， 再按照測(cè)區(qū)地形測(cè)量的實(shí)際需求和相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編輯，建立起三角網(wǎng)，并繪制等高線，就能生成地形圖成果，保存為DWG格式，以便相關(guān)單位正常使用。

3三維激光掃描技術(shù)的精度分析

三維激光掃描技術(shù)屬于一種全新的測(cè)量技術(shù)，對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的精度評(píng)定和制度還不夠全面，在案例測(cè)區(qū)地形測(cè)量中，為能夠真實(shí)直觀地反映出生成地形圖精度，選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)，用GPS-RTK技術(shù)實(shí)測(cè)來(lái)和三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到嚴(yán)重三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用精度的目的，主要的地形圖精度統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量低于20時(shí)，以誤差的算術(shù)平均值代替中誤差，超過(guò)20時(shí)，按照中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該測(cè)區(qū)地形圖的要求比例尺為1∶2 000，要求地物點(diǎn)平面位置中誤差不超過(guò)±1.6 m，高程注記點(diǎn)高程中誤差不超過(guò)±0.67%，從表1中可知，地形圖成圖的精度滿足限差要求。表明三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用效果比較好，精度高，值得大范圍推廣。

4提升三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用效果的方法

在地形測(cè)量中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，為提升精度和效率，可采取以下方法：

（1）三維激光掃描技術(shù)在應(yīng)用中會(huì)受到設(shè)備自身測(cè)距、測(cè)角精度的限制，要隨著掃描距離的增加，被測(cè)目標(biāo)的精度也會(huì)降低。此時(shí)就需要按照不同比例尺的要求，合理調(diào)整掃描范圍，調(diào)整三維激光掃描儀架設(shè)的點(diǎn)位。

（2）影響三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用精度的因素主要有兩個(gè)方面，一是對(duì)標(biāo)靶的掃描精度，二是標(biāo)靶后視點(diǎn)的地面實(shí)測(cè)精度。所以，在具體應(yīng)用中，要不斷提高標(biāo)靶坐標(biāo)精度，同時(shí)合理確定標(biāo)靶目標(biāo)的大小。

（3）在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理中，相鄰兩個(gè)測(cè)站之間的掃描范圍需要嚴(yán)格控制重合范圍，控制在30%左右效果最佳，過(guò)大則增加外業(yè)作業(yè)量，過(guò)小無(wú)法保證測(cè)量精度。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地形測(cè)量是區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重，我國(guó)不同區(qū)域地形地貌起伏變化較大，高樓大廈比較多，大大提升了地形測(cè)量的難度。采用三維激光掃描技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)就獲得大量真實(shí)的三維空間數(shù)據(jù)，具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、主動(dòng)信號(hào)、數(shù)字化程度高等優(yōu)勢(shì)，值得在地形測(cè)量中大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李引生，荊海峰.三維激光掃描技術(shù)在濕地地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2019，42（12）：193-195，198.

[2] 王昌銳.三維激光掃描技術(shù)在礦山大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2020，5（11）：129-130.

[3] 崔紅超，賀小星，劉仁釗，等.Cyclone在數(shù)字校園三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2020，34（3）：343-346.

[4] 曹小朋，張勤.基于機(jī)載激光LiDAR技術(shù)的線狀工程測(cè)量[J].地礦測(cè)繪，2021，4（4）：78-80.

[5] 陳燕芬，李俊霞，李琳.三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用分析[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)，2021，10（12）：106-109.

[6] 段月輝.徠卡P50三維激光掃描儀在建筑地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2020（6）：158-162.

作者簡(jiǎn)介：劉陽(yáng)（1987—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)繪地理信息方向。

王鵬飛（1987—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)繪地理信息方向。