深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司

摘要：三維激光掃描測(cè)量技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的缺陷，與傳統(tǒng)的地形測(cè)量相比，具有效率高、表現(xiàn)力強(qiáng)、測(cè)量細(xì)節(jié)豐富的特點(diǎn)。地形、地貌一次測(cè)量完成，并同時(shí)獲得影像模型，這一創(chuàng)新具有跨時(shí)代的意義。本文就地形測(cè)量中三維激光掃描儀的應(yīng)用進(jìn)行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；地形測(cè)量

前言

常用的地形圖測(cè)量方法有全站儀數(shù)字化測(cè)圖，GPS—RTK測(cè)圖等方法。但這些方法外業(yè)工作量大，且在地形險(xiǎn)峻，人難以到達(dá)的地方往往顯得無(wú)能為力。從三維激光掃描儀的測(cè)量原理和掃描過(guò)程可知，三維激光掃描以格網(wǎng)掃描方式，高精度、高密度、高速度和免棱鏡地測(cè)量地表點(diǎn)，能詳細(xì)了解地面的細(xì)節(jié)變形和整體變化，同時(shí)三維激光掃描技術(shù)制作的地形圖精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且可大大縮短外業(yè)工作時(shí)間，將大部分時(shí)間轉(zhuǎn)為在軟件中對(duì)掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理?；谌S激光掃描的地形測(cè)繪成圖技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)流程，使相關(guān)外業(yè)測(cè)繪流程大大簡(jiǎn)化，外業(yè)工作時(shí)間大大縮短，外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，內(nèi)業(yè)處理的自動(dòng)化程度也顯著提高。因此將三維激光掃描技術(shù)引入到地形測(cè)量中是具有重要意義的。

文中主要介紹了三維激光掃描儀在地形測(cè)量中的應(yīng)用。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的儀器、測(cè)區(qū)概況、控制網(wǎng)布設(shè)及掃描儀掃描方法做了簡(jiǎn)要的介紹。然后介紹了將基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基于施工獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的過(guò)程，探討了將平面坐標(biāo)和高程分開(kāi)轉(zhuǎn)換的方法，將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic中進(jìn)行重采用，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，方便cass繪制等高線。通過(guò)全站儀測(cè)量一定數(shù)量檢核點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證三維激光掃描儀精度。

1 數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)使用徠卡ScanStation2三維激光掃描儀掃描地形，使用尼康DTM—3320全站儀布設(shè)控制網(wǎng)，其測(cè)角精度為3\"，測(cè)距精度為±13mm+2PPm。掃描區(qū)域的地形起伏較小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，人流量相對(duì)較小，地形表面的雜草和植被較少。

1.1控制網(wǎng)布設(shè)

在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)獨(dú)立工程控制網(wǎng)，K4點(diǎn)為已知點(diǎn)，平面坐標(biāo)值設(shè)為1000，1000m，高程值為500m.在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)如圖1，通過(guò)全站儀測(cè)角、測(cè)邊，求得控制點(diǎn)的坐標(biāo)，使用全站儀三角高程測(cè)量獲取控制點(diǎn)高程。

圖1 控制點(diǎn)空間分布圖

1.2 測(cè)區(qū)三維掃描

將掃描儀安置在控制點(diǎn)K1上，在測(cè)區(qū)合適位置安置3個(gè)不在同一直線上的藍(lán)白標(biāo)靶，將其中一個(gè)藍(lán)白標(biāo)靶安置在控制點(diǎn)k5上。連接掃描儀和電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)讓儀器進(jìn)行自檢；設(shè)置筆記本與掃描儀之間的通訊，啟動(dòng)配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫(kù)與工程文件，連接掃描儀并通過(guò)設(shè)置角度范圍對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行拍照。設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行掃描，找到控制點(diǎn)上標(biāo)靶大致位置，對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描。然后將掃描儀架設(shè)到k3上，采用相同方法依次掃描。依次進(jìn)行，直到所有掃描完成。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

點(diǎn)云拼接是多個(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整合，是基于掃描儀不同坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的過(guò)程。點(diǎn)云拼接方法有：基于連接點(diǎn)的拼接；基于標(biāo)靶的拼接；基于控制點(diǎn)的拼接。本實(shí)驗(yàn)采用基于公共標(biāo)靶的拼接，拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 測(cè)區(qū)點(diǎn)云拼接后數(shù)據(jù)

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括：點(diǎn)云去噪和平滑，點(diǎn)云抽稀壓縮，點(diǎn)云空洞修補(bǔ)等。這些過(guò)程都可以通過(guò)Cyclone和Geomagic軟件完成。

3 地形圖繪制

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)和高程是基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的，而地形圖采用的則是獨(dú)立工程測(cè)量坐標(biāo)系，因此在用點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖前需要進(jìn)行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。將基于三維掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到獨(dú)立工程測(cè)量坐標(biāo)系中。

3.1.1 平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

建立基于掃描儀平面坐標(biāo)系O—X1Y1，基于工程測(cè)量坐標(biāo)系O—X2Y2，，兩個(gè)坐標(biāo)系關(guān)系如圖3所示。采用四參數(shù)模型進(jìn)行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括平移參數(shù)：X0，Y0，旋轉(zhuǎn)參數(shù)：a，尺度變化：。

圖3 基于掃描儀平面坐標(biāo)與施工獨(dú)立平面坐標(biāo)關(guān)系

對(duì)于任意一點(diǎn)Pi在兩個(gè)坐標(biāo)系中坐標(biāo)分別為（X1，Y1），（X2，Y2），存在如下關(guān)系

， （1）

其中

為求出式1中平移、旋轉(zhuǎn)和尺度變化參數(shù)，至少需要2個(gè)已知平面點(diǎn)，，如多于兩個(gè)可采用最小二乘法擬合求解。文中已知K3，K4，K5等3點(diǎn)在兩坐標(biāo)系中坐標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 已知點(diǎn)在不同坐標(biāo)系平面坐標(biāo)值

控制點(diǎn) 施工坐標(biāo)/m三維掃描儀/m

K5

x1065.116-38.897

y1009.813-6.832

K3x946.025-140.909

y994.352-70.008

K4

x1000-94.118

y1000-42.634

采用最小二乘法，通過(guò)已知點(diǎn)平面坐標(biāo)值求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將點(diǎn)云基于掃