朱曙光,余平洋（.河南理工大學(xué),河南　焦作　454000；.開封大學(xué),河南　開封　475004）

三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

朱曙光1,余平洋2
（1.河南理工大學(xué),河南焦作454000；2.開封大學(xué),河南開封475004）

摘要：三維激光掃描作為一種新興的測量技術(shù)，具有無需接觸被測量物體、測量精度高、速度快等傳統(tǒng)測量手段所不具備的顯著特點和優(yōu)勢，本文主要介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理、點云數(shù)據(jù)采集與處理方法并結(jié)合工程實例探討了利用三維激光掃描技術(shù)快速生成大比例尺地形圖的方法與作業(yè)流程。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；地形圖測繪；數(shù)據(jù)處理

1　引言

目前地形圖測繪主要是采用全站儀、GPS等大地測量儀器，這些測量手段技術(shù)相對成熟，實用性強，但存在野外工作量大，效率低，受地形條件影響，特別對于地形復(fù)雜、人員難以到達(dá)的區(qū)域獲取數(shù)據(jù)具有一定的難度。近年來，隨著計算機技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，已開始應(yīng)用于測繪領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量方式的局限性，無需接觸被測量物體，測量精度高、速度快，通過向被測對象發(fā)射激光束的方式，快速高分辨率的獲取空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理和建模，可以生成被測區(qū)域的三維虛擬模型和數(shù)字地形圖，不僅提高了獲取數(shù)據(jù)的信息量和精度，同時，也大大縮短了外業(yè)工作時間，降低了勞動強度，提高了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化程度。本文以LeicaScanStation2三維激光掃描為例介紹其在某區(qū)域大比例地形圖測繪中的應(yīng)用。

2　三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成，其中掃描系統(tǒng)主要包括激光測距系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)；控制系統(tǒng)主要是控制整個掃描儀的正常工作，包括點云數(shù)據(jù)采集中對測站及后視定向信息的輸入，各項掃描參數(shù)的設(shè)置及掃描區(qū)域的劃分等；電源供應(yīng)系統(tǒng)則主要給掃描系統(tǒng)提供電力保障。

2.2三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式掃描測量技術(shù)，能夠快速獲取直接反映測量目標(biāo)實時、真實的形態(tài)特性的空間點云數(shù)據(jù)，其工作原理是：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，從而可以計算目標(biāo)點P與掃描儀器中心的距離S，同時控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向和縱向掃描角度的觀測值α和β，如圖1所示。依據(jù)公式1可得出目標(biāo)點P的三維坐標(biāo)。

以上求得的P點坐標(biāo)為儀器自定義坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為掃描儀測距激光發(fā)射器的幾何中心，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軸一般為儀器的豎軸，與橫向掃描面垂直。在實際工作中，需要將測量的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系中，為了操作方便，可在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時輸入架站點和后視點的坐標(biāo)，由儀器自動完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

3　點云數(shù)據(jù)的采集與處理

3.1點云數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集區(qū)域位于某礦區(qū)，地形起伏較大，地物較少，這里主要采用LeicaScanStation2三維激光掃描儀對測區(qū)進(jìn)行掃描測量，并利用華測X91GNSS雙頻接收機測定了測站點坐標(biāo)，其作業(yè)流程如下：

3.1.1準(zhǔn)備工作

白麗筠有一套她自己的住房，就在我第一次找到搬水泥紅磚活兒的那片新住宅區(qū)里，她還有自己的馬6轎車，若不是傍上大款，憑她那個寒酸的工薪家庭是無論如何置不起的。我想起小時候記憶中的白三刀，問候她的父親身體可好？白麗筠傷心地告訴我說，父親前幾年去世了，她剛剛有能力盡一點兒孝心的時候，父親卻不給她機會，撒手西去了。只有母親猶在，也老得走不動路了。

首先通過實地查勘確定測站點及掃描順序，然后利用GNSS測量測定出測站點坐標(biāo)。

3.1.2設(shè)站

在控制點上架設(shè)三維激光掃描儀并進(jìn)行對中整平，打開電源開關(guān)讓儀器自檢。

3.1.3網(wǎng)絡(luò)設(shè)置與連接

自檢完畢后，將計算機與掃描儀用網(wǎng)線連接起來，打開Cyclone軟件，創(chuàng)監(jiān)測區(qū)的數(shù)據(jù)庫和工程項目，執(zhí)行ScannerConnect進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

執(zhí)行g(shù)etimage命令，儀器會自動旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行拍照，可通過設(shè)置進(jìn)行局部或整體拍照，并且該照片可對建立的三維模型進(jìn)行紋理貼圖。

3.1.5掃描設(shè)置

設(shè)置掃描主距、掃描精度、掃描范圍和標(biāo)靶類型以及后視定向。

3.1.6獲取點云數(shù)據(jù)

通過執(zhí)行SCAN命令，就可獲得所選區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。

3.2點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要是利用Cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪、匹配拼接等一系列的處理，最終得到所需要的點云數(shù)學(xué)模型和地形圖。

3.2.1平滑去噪

數(shù)據(jù)采集中受測量設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗、被測物體表面質(zhì)量、環(huán)境等因素的影響，點云數(shù)據(jù)不可避免地存在噪聲點，因此在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)操作前應(yīng)先進(jìn)行平滑去噪處理。

3.2.2匹配拼接

由于受地形和視角的影響，為獲取完整的、全方位的三維地面信息，必須進(jìn)行多測站、多視點的掃描測量，而每次架站獲取的點云數(shù)據(jù)都是基于架站儀器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，點云數(shù)據(jù)的匹配拼接就是基于多個測站點掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的點云數(shù)據(jù)整合統(tǒng)一到測量坐標(biāo)系下的過程，主要方法有：基于點云的拼接、基于標(biāo)靶的拼接和基于控制點的拼接。由于本次實驗儀器都架設(shè)在控制點上，并進(jìn)行了定向，所測的點云數(shù)據(jù)都是基于同一個坐標(biāo)系下，所以將控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)入cyclone軟件中，自動添加約束條件即可完成匹配拼接，如圖2所示。

4　數(shù)據(jù)建模及地形圖繪制

在保證精度前提下，利用cyclone軟件對海量的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，提取建筑物、道路等地物點數(shù)據(jù)并編制成二維圖形，地形點數(shù)據(jù)通過植被過濾后按成圖比例尺選擇合適的點距過濾，然后生成三維數(shù)據(jù)模型（如圖3所示），在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行等高距設(shè)置并生成等高線（如圖4所示），最后將圖形直接導(dǎo)入到CASS軟件中進(jìn)行編輯處理并輸出即可，這里也可以直接將提取的地物和高程點數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)出，再轉(zhuǎn)化為DAT格式的CASS坐標(biāo)文件，利用CASS軟件進(jìn)行編輯成圖。

5　結(jié)束語

實踐證明，將三維激光掃描儀應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪中，其精度完全可以滿足測量要求，與常規(guī)測圖方法相比，三維激光掃描儀具有速度快、信息量大、精度高、實時性強、自動化程度高等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)測量儀器的局限性，能夠直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，特別是在人員難以到達(dá)的地區(qū)有著顯著的優(yōu)勢。由于激光掃描儀獲取的是海量的點云數(shù)據(jù)，同時點云數(shù)據(jù)中可能會包含有大量的地表上的雜草和樹木等數(shù)據(jù)，如何在不影響精度和建模需要的前提下實現(xiàn)自動、快速獲取取適當(dāng)密度的點云數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步完善，解決了這一問題必將使三維激光掃描技術(shù)在地形圖測繪領(lǐng)域得到更廣闊的應(yīng)用。

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作者簡介：朱曙光（1980-），男，河南南陽人，講師、技師，主要從事:地形圖測繪及工程測量方向生產(chǎn)和教學(xué)工作。