李婷峰，楊潤萍

(湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430079)

0 引言

最近幾年，三維地面激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，已經(jīng)成功的在文物保護(hù)、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測［1］、工業(yè)領(lǐng)域大型設(shè)備形變測量［2］、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建［3］等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。地面三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本文介紹了地面三維激光掃描儀的工作原理，并詳細(xì)地闡述了Riegl VZ－400三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)桔園地形測繪成圖的過程和效果。實(shí)踐結(jié)果表明，在樹木稀少的丘陵地區(qū)，利用地面三維激光掃描儀可以快速獲取數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)字地形圖。作為一種新型的數(shù)據(jù)獲取手段，地面三維激光掃描儀還存在著不足。最后結(jié)合本次地形測繪工程中遇到的問題進(jìn)行了討論，說明其應(yīng)用的不足之處以利于該技術(shù)的進(jìn)一步研究。

1 地面三維激光掃描儀的工作原理

地面三維激光掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂直方向掃描，以計(jì)步馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器來完成水平方向360°掃描，從而獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體如下:首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向目標(biāo)P，然后通過探測器，接收反射回來的激光脈沖信號(hào)，并由記錄器記錄，這樣可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S。精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β(見圖1)。地面三維激光掃描測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)(即以儀器為坐標(biāo)原點(diǎn))，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。由此可計(jì)算采樣點(diǎn)坐標(biāo)，公式［4－5］為:

圖1 掃描儀三維坐標(biāo)計(jì)算示意圖Fig.1 Schematic diagram of scanner's 3D coordinates calculation

掃描儀上方的數(shù)碼相機(jī)主要用于獲取目標(biāo)物的紋理信息和邊緣信息，可以為后期數(shù)據(jù)處理提供參照。

2 應(yīng)用實(shí)例

此項(xiàng)目主要使用Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀對(duì)南漳縣峽口鎮(zhèn)桔園進(jìn)行1∶2 000數(shù)字地形圖測繪。測量作業(yè)時(shí)，使用三維激光掃描儀開展地形數(shù)據(jù)采集工作，并輔以GPS－RTK系統(tǒng)對(duì)標(biāo)靶點(diǎn)和測站點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位［6］。

2.1 工程概況

為滿足桔園規(guī)劃和建設(shè)的需要，需要對(duì)桔園進(jìn)行1∶2 000數(shù)字地形圖的測繪。該測區(qū)為塊狀，范圍約8 km2，地形較為復(fù)雜，以山地為主。地物有水庫、山路、少量房屋、少量農(nóng)田、電線等。最重要的是該地區(qū)樹木稀少(見圖2)。經(jīng)分析認(rèn)為，該測區(qū)非常適合利用地面激光掃描儀結(jié)合GPS－RTK進(jìn)行作業(yè)。

圖2 測區(qū)(部分)實(shí)況Fig.2 A section of terrain in survey area

2.2 前期規(guī)劃

由于本測區(qū)地形復(fù)雜，以山地為主，所以對(duì)測區(qū)的地形特征進(jìn)行分析是很有必要的，這樣可以提高外業(yè)作業(yè)效率。這次是利用測區(qū)已有的等高線地形圖對(duì)測區(qū)周圍環(huán)境進(jìn)行考察，結(jié)合掃描儀的射程及特點(diǎn)估計(jì)掃描儀應(yīng)設(shè)的站數(shù)，并在地形圖上標(biāo)出每站的大致位置并作上記號(hào)。前期規(guī)劃的目的:一要保證最終獲取的所有數(shù)據(jù)能代表完整的測區(qū);二要選擇盡量少的測站以減少原始數(shù)據(jù)量。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集步驟如下:

1)架設(shè)基站:測量作業(yè)時(shí)，首先將基準(zhǔn)站架設(shè)在測區(qū)內(nèi)的已知點(diǎn)(平面坐標(biāo)和高程已知)上?；鶞?zhǔn)站一般架設(shè)在本次測區(qū)中間，視野開闊、周圍無高大樹木、無高大建筑物、遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁波發(fā)射源和大面積水面的已知點(diǎn)上。

2)選擇架設(shè)掃描儀位置:根據(jù)等高線地形圖上的記號(hào)找到相應(yīng)的實(shí)地位置再結(jié)合周圍地形選擇架設(shè)掃描儀的位置。盡量選擇掃描覆蓋范圍廣，且遮擋較少的位置。盡量顧及容易漏測的位置，比如山溝等。選擇架站位置的好壞直接關(guān)系到外業(yè)工作量和采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。儀器置平后量測該站的儀器高并進(jìn)行記錄。

3)選擇后視位置:為了能夠在掃描數(shù)據(jù)上快速找到反射片的位置，后視位置盡量選擇有明顯特征的地物附近，如電線桿，標(biāo)靶與掃描儀間的距離要在掃描儀的有效使用范圍內(nèi)。標(biāo)靶按作用可分為:拼接標(biāo)靶和控制標(biāo)靶。拼接標(biāo)靶用來進(jìn)行兩站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，控制標(biāo)靶用來糾正點(diǎn)云數(shù)據(jù)到真實(shí)坐標(biāo)。此項(xiàng)目采用的標(biāo)靶既用作拼接標(biāo)靶也用作控制標(biāo)靶。

4)創(chuàng)建項(xiàng)目與相機(jī)參數(shù)標(biāo)定:在進(jìn)行一個(gè)新的掃描前，需要確保驅(qū)動(dòng)器正確連接、開關(guān)打開和通訊端口設(shè)置正確。確定后打開Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀自帶的軟件RiSCAN Pro創(chuàng)建一個(gè)新的工程(該項(xiàng)目名為Project1)，接著進(jìn)行數(shù)碼相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定。

5)數(shù)據(jù)獲取:第一步創(chuàng)建掃描站點(diǎn);第二步用RiSCAN Pro軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)獲取，要設(shè)置水平方向上掃描起始和停止的角度、垂直方向上的角度、掃描分辨率、掃描次數(shù)等，這些參數(shù)會(huì)影響掃描一次所需要的時(shí)間。本項(xiàng)目中第一次使用的是較低分辨率360°粗掃描，是為了獲取更準(zhǔn)的儀器傾斜角度;然后再設(shè)置高精度的角度分辨率進(jìn)行反復(fù)掃描，確保掃描數(shù)據(jù)精度;最后找出反射體，對(duì)反射體進(jìn)行精細(xì)掃描以便準(zhǔn)確提取標(biāo)靶中心點(diǎn)。

6)相片獲取:三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過程結(jié)束后，下一步就是通過固定在激光掃描儀上的Nikon D300s－20mm數(shù)碼相機(jī)采集相片。對(duì)測區(qū)的特殊地形及地物拍照有利于后期的數(shù)據(jù)處理、地形圖的編輯修改。

7)獲取絕對(duì)坐標(biāo):用流動(dòng)站RTK精確測量該站的標(biāo)靶坐標(biāo)和掃描儀位置坐標(biāo)。

8)以后每站不用重新創(chuàng)建項(xiàng)目與標(biāo)定相機(jī)參數(shù)，只需重復(fù)前面2、3、5、6、7步即可。如果測區(qū)超出了基站信號(hào)覆蓋范圍(一般為3～4 km)，則需重新架設(shè)基站，即需重復(fù)前面1～6步。

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.4.1 測站拼接

Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀提供了3種與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相關(guān)的坐標(biāo)系［7］:掃描儀坐標(biāo)系SOCS、工程坐標(biāo)系PRCS和大地坐標(biāo)系GLCS。掃描儀每一站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是基于掃描儀坐標(biāo)系的，測站之間的拼接就是將各測站各自的掃描儀坐標(biāo)系通過一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣MSOP轉(zhuǎn)換到同一個(gè)工程坐標(biāo)系中。最后根據(jù)已知大地坐標(biāo)和工程坐標(biāo)的控制點(diǎn)計(jì)算工程坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣MPOP。

本項(xiàng)目是通過RiSCAN PRO軟件提供的后視定向方法計(jì)算每一站的掃描儀坐標(biāo)系與工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。在后視定向方法的視圖中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)、確定相關(guān)參數(shù)后便可計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣MSOP。完成所有測站的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，所有測站就在同一個(gè)工程坐標(biāo)系下，這就實(shí)現(xiàn)了測站拼接。為了使測站之間拼接得更準(zhǔn)確還可以使用RiSCAN PRO提供的多站平差(MSA)功能模塊對(duì)所有測站進(jìn)行平差。

2.4.2 數(shù)據(jù)壓縮

三維激光掃描儀是按線掃描的，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間距很小，每測站采集的點(diǎn)云數(shù)可達(dá)到幾十萬到幾百萬個(gè)。所以對(duì)于大數(shù)據(jù)量的三維數(shù)據(jù)在模型化前要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因?yàn)槟Ｐ突且粋€(gè)耗時(shí)的計(jì)算過程，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高。本項(xiàng)目是利用RiSCAN PRO軟件中的Octree filtering(反向樹型過濾)方法對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。

2.4.3 數(shù)據(jù)濾波

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)難免會(huì)采集到含有粗差的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，如植被、電線、房屋等。為了得到正確的地形信息，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，剔除干擾信息?？梢栽赗iSCAN PRO軟件中剔除噪聲點(diǎn)，也可以將拼接后的三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)提取出來，導(dǎo)入第三方軟件(如植被過濾軟件)中進(jìn)行噪聲點(diǎn)剔除。

2.4.4 等高線生成

經(jīng)過多次濾波和壓縮后，用保留下來的點(diǎn)生成等高線。圖3是部分區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)生成的等高線見圖4。具體步驟是:將保留的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，保存為.dxf格式的文件，再在制圖軟件中打開該文件，基于這些高程點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)，對(duì)三角網(wǎng)優(yōu)化后生成等高線(見圖4)。圖5為該部分區(qū)域的三維模型(填充后)。

圖3 濾波壓縮后的點(diǎn)云Fig.3 The filtered and compressed point clouds

圖4 等高線Fig.4 Contour lines

圖5 三維模型Fig.5 3D model

3 利用三維激光掃描儀進(jìn)行地形測繪的優(yōu)勢和不足

3.1 地面三維激光掃描儀在丘陵地區(qū)地形測繪應(yīng)用中的優(yōu)勢

1)地面三維激光掃描儀可以快速、高效的獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云的坐標(biāo)精度可以達(dá)到mm級(jí)。這樣既可以減輕外業(yè)測繪人員的工作量、提高工作效率，還可以獲取令人滿意的測量成果。

2)本測區(qū)主要以山地為主，地形復(fù)雜，如果用傳統(tǒng)的數(shù)字化測圖儀器(如GPS接收機(jī)、全站儀等)進(jìn)行野外測量，采集的數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確、不全面，這可能會(huì)造成繪制的等高線失真，從而難以準(zhǔn)確反映實(shí)際地形。

3)對(duì)于高陡地段，借助傳統(tǒng)的測量儀器難以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，同時(shí)還存在測量人員的安全問題。這時(shí)采用三維激光掃描儀開展數(shù)據(jù)采集具有很大優(yōu)勢。

3.2 地面三維激光掃描儀自身與應(yīng)用的不足

1)由于工程范圍相對(duì)較大，凹凸不平起伏較大的地形較多，所有掃描儀的站點(diǎn)布設(shè)非常重要，既要保證數(shù)據(jù)不能缺失，又要保證數(shù)據(jù)不能過分冗余。怎樣更好的布設(shè)站點(diǎn)還需要進(jìn)一步研究，提出更加合理的前期規(guī)劃方案，以提高外業(yè)作業(yè)效率、提供高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2)當(dāng)?shù)匦胃叩推鸱趽跚闆r比較嚴(yán)重時(shí)，如山體上植被茂密時(shí)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)黑洞，形成局部數(shù)據(jù)缺失。

3)三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)豐富，其中包含了許多非地貌數(shù)據(jù)，為了得到準(zhǔn)確的地形圖，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、壓縮，這就造成不必要的工作量。由于目前自動(dòng)化或半自動(dòng)化剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中非地貌數(shù)據(jù)軟件還不夠成熟［8］，加上經(jīng)驗(yàn)不足，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是主要的難點(diǎn)。

4)在數(shù)據(jù)的后期處理中，如三角化、數(shù)據(jù)優(yōu)化中，需要較多人工干預(yù)，自動(dòng)化程度不高，如何選定參數(shù)在很大程度還處于選擇和優(yōu)化的過程，這是限制三維地形快速成圖的關(guān)鍵所在，該問題亟待有效解決［9］。

5)地面三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度會(huì)受到多種因素影響［10］，如儀器的分辨率、儀器的測距和測角精度、外界環(huán)境等，這也直接影響了地形測繪成圖的質(zhì)量。因此對(duì)儀器的檢校是十分重要的，但目前國內(nèi)的三維激光掃描儀的檢校體系還不夠完善，這也需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本文采用Riegl VZ－400地面三維激光掃描儀對(duì)桔園地形進(jìn)行快速測量，最終生成該地區(qū)的等高線圖和DEM圖。實(shí)踐表明，利用地面三維激光掃描儀對(duì)該測區(qū)進(jìn)行地形測繪是可取的，但該技術(shù)仍然存在一些不足，需要進(jìn)一步的研究。

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