萬雪華，王繼衛(wèi)，王　銳

(1.江西省地礦局物化探大隊，江西 南昌　330002； 2.江西省地礦測繪院，江西 南昌　330030)

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天寶TX8三維激光掃描儀在地形圖測量中的應用*

萬雪華1，王繼衛(wèi)2，王銳2

(1.江西省地礦局物化探大隊，江西 南昌330002； 2.江西省地礦測繪院，江西 南昌330030)

文章首先介紹了三維激光掃描儀的基本原理，接著闡述了其與GNSS RTK和全站儀相比所具有的優(yōu)勢及在地形圖測繪中的作業(yè)流程，最后結合一個實例簡述了三維激光掃描儀在地形測圖中的作業(yè)過程，并對地形圖的精度進行了檢測與分析，驗證了三維激光掃描技術可應用在地形測圖中且具有一定的優(yōu)勢。

三維激光掃描技術原理；地形圖測量；精度分析

0　引言

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期出現的一項新技術，又被稱為實景復制技術。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。目前較多用于文物數字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災害調查等，較少用于大比例尺地形測量，但實際上應用三維激光掃描技術進行大比例尺地形測量具有獨特的優(yōu)勢，其具有快速性(測量速度最快達到120萬點/s)、不接觸性、穿透性、實時、動態(tài)、主動性、高密度、高精度(mm級)、數字化、自動化等特性[1-3]。

1　三維激光掃描技術的原理

對于大空間三維激光掃描儀來說，構造原理都是相似的。主要構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。地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由3部分組成：掃描儀、控制器(計算機)和電源供應系統(tǒng)，如圖1所示。激光掃描儀主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成CCD、儀器內部控制和校正系統(tǒng)等。儀器通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經被測物表面再返回儀器所經過的時間(或者相位差)來計算斜距S。同時內置精密時鐘控制編碼器，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β，被測云點P的三維坐標，如圖2所示 。激光掃描系統(tǒng)的原始觀測數據除了兩個角度值和一個距離值，還有掃描點的反射強度I，用來給反射點匹配顏色。拼接不同站點的掃描數據時，需要用公共點進行轉化，通常有基于目標(平面和球狀)和無目標2種。

圖1　三維激光掃描儀工作原理Fig.1　The working principle of 3D laser scanner

三維激光掃描測量的坐標系一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。如果測站的空間坐標是已知的，那么可以求得每一個掃描點P的三維坐標，見圖2。其中，XP=Scosβcosα，YP=Scosβsinα，ZP=Ssinβ。

2　三維激光掃描儀與GNSS RTK和全站儀相比的優(yōu)勢

三維激光掃描儀與GNSS RTK和全站儀相比具有如下優(yōu)勢：

1)三維激光掃描采用非接觸方式進行測量：無需對目標物體表面進行任何處理，適用于解決危險目標、環(huán)境及人員難以涉及的情況。

2)數據采集速度快及采樣率高：TX8采用脈沖波技術(脈沖相位一體式技術，既能保證相位式的精度和速度，又能保證脈沖式的距離)，在120萬點/s全速掃描情況下，在整個測程120 m的距離上保持不大于2 mm的測距精度，可見采樣速率是傳統(tǒng)測量方式難以比擬的。而GNSS RTK 及全站儀測圖，地形特征點必須全部立鏡桿實測，作業(yè)效率低。

3)免繪草圖：由于三維激光掃描測量屬全方位測量，其外業(yè)數據較全，所以無須繪制草圖，只需在內業(yè)進行綜合取舍，完成制圖任務。對于不滿足要求的綜合取舍可以根據原始點云數據進行修改，不必再去現場。而采用GNSS RTK 和全站儀測量只能得到施測區(qū)域離散點坐標，內業(yè)繪圖人員不清楚測區(qū)的詳細情況，需要依賴草圖或與外業(yè)人員進行反復溝通。

4)可實現全天候作業(yè)：三維激光掃描儀具備較高的防水性，操作方便，在雨天或者夜間測量人員也可作業(yè)，而全站儀在雨天和夜間幾乎難以作業(yè)。

5)一次掃描多比例成圖：采用三維激光掃描測量同時能夠得到所掃描區(qū)域1∶1比例尺完整空間信息和相關屬性信息，可從掃描點云數據中提取出需要的信息；變更比例尺時，只需按規(guī)范提取相應的特征點即可。而GNSS RTK 和全站儀測量時，當需要同一測區(qū)更大比例尺地形圖時，需要重新測圖，成本增加。

6)可形成多種成果：采用三維激光掃描測量可以提供高精度的DEM、三維模型、瀏覽視頻等增值產品，實現對數據的充分利用，而GNSS RTK和全站儀測量所得到的成果以二維地形圖居多，無法提供更多的數據增值成果。

7)可解決外業(yè)大量質量檢查工作：由于三維激光掃描測量完整記錄了現場的信息，質量檢查人員在室內就可以通過對所繪地形圖與點云數據進行比較來判斷是否出現錯繪、漏繪現象，還可以直接在點云數據上進行量距等操作來對繪圖精度進行檢查，這樣可以大大減少外業(yè)檢查的工作量，節(jié)省時間，提高工作效率。而GNSS RTK和全站儀測圖需要質量檢查人員攜帶繪制好的地形圖到測區(qū)實地核查，且需逐一核查地形要素，外業(yè)工作量較大，效率不高。

3　三維激光掃描地形圖測量一體化流程

三維激光掃描地形測量作業(yè)一體化流程，如圖3所示。

圖3　三維激光掃描地形測量作業(yè)一體化流程Fig.3　Integration process of 3D laser scanning topography measurement

4　應用實例

以某單位大院地形圖測繪為例，介紹三維激光掃描儀在地形圖測繪中的應用。

4.1布設控制點

采用GNSS RTK 技術在該單位大院內均勻布設了4個控制點(圖根級)。

4.2站點設置及掃描

設置掃描站點時需要詳細的勘察測區(qū)現場環(huán)境，科學的布置掃描測站可以以最少的站點獲取最詳細的數據，架設好儀器(TX8有傾角計量功能，無須整平)后設置儀器參數，掃描時點云數據并不是越多越好，在滿足項目成果需求的情況下，以最優(yōu)的掃描參數獲取點云數據會大大提高工作效率。

4.3掃描數據導入

在天寶RealWorks中支持直接把掃描數據拖入軟件中，如圖4、圖5所示。

圖4　掃描原始點云Fig.4　Scanning original point cloud

圖5　導入原始點云Fig.5　Importing original point cloud

4.4掃描站點數據全自動無目標拼接

將三維激光掃描儀獲取的原始點云數據導入天寶Real-Works中，由于掃描的每個測站都是其測站坐標系，需要進行統(tǒng)一，所以需進行無目標站點整體拼接。在大范圍復雜現場掃描中往往需要幾十站甚至上百站的掃描，所以高精度的站點拼接是精確提取線劃圖、建模等成果的保障。完成拼接測站示意圖如圖6所示，拼接精度如圖7所示。

圖6　完成拼接測站示意圖Fig.6　The schematic diagram of station point cloud matching

圖7　拼接精度Fig.7　Matching accuracy

4.5點云空洞修補

對地形進行掃描測量時，生成的點云數據含有各種無法掃描到的區(qū)域，即存在大量空洞。這些空洞對點云的后續(xù)處理會造成較大影響，所以要對點云空洞進行修補，修補方法一般采用兩種：

1)實地補測法，其基本原理是用三維激光掃描儀或全站儀對點云空洞的區(qū)域再進行掃描或測量，把獲得的數據配準到點云數據中。

2)點云內插法，其基本原理是按照空洞周圍點云數據，結合現場照片，在計算機上運用數據處理軟件中的算法，對其空洞進行內插修補，選取軟件算法時要結合實際地形和空洞區(qū)域地形，選擇合適的算法進行內插處理。

4.6坐標系轉換

掃描儀直接掃描的數據是基于掃描儀的掃描坐標系，在實際生產中往往用到的是國家坐標系或獨立坐標系，這就需要把點云從掃描儀坐標系轉換到實際需要的坐標系。在現場掃描前要在整個測區(qū)均勻布設若干圖根點(滿足不同坐標系轉換要求即可)，可以采用平面標靶或靶球(如圖8所示)。掃描過程中要掃到標靶或靶球，這些標靶或靶球同時具有掃描儀坐標系和實際坐標系兩套坐標，用于坐標系轉換。

圖8　轉換坐標系所用標靶點Fig.8　The target for convering survey coordinate system

在天寶RealWorks軟件中，利用“大地基準工具”，實現坐標系的轉換。

4.7數據抽稀

不同的項目對于點云密度要求不一樣，可以將點云按一定規(guī)律抽稀，以便減少數據容量，提高工作效率。點云抽稀工具，如圖9所示。

圖9　點云抽稀工具Fig.9　Filtering tool of point cloud

4.8利用特征點繪制地形圖

完成點云的導入、拼接、轉換之后，就可以進行基于點云的特征點提取，把提取后的特征點導入第三方軟件中進行地形圖繪制。如要繪制房屋、道路、獨樹、路燈等地形圖要素時，利用RealWorks中的“特征點工具”模塊(如圖10所示)，在點云中選取所要繪制對象的特征點創(chuàng)建即可，操作簡便。

圖10　特征點工具Fig.10　Extracting tool of feature points

特征點創(chuàng)建完后，就可以利用RealWorks中的“輸出特征點集”命令，把創(chuàng)建好的特征點輸出為第三方繪圖軟件(本文使用的軟件為CASS成圖軟件)需要的數據格式文件。把編輯好的特征點數據文件導入第三方繪圖軟件中，就可以進行自動或人工繪圖作業(yè)，圖11為繪制的某單位大院地形圖的一部分。

4.9外業(yè)調繪、修補測

外業(yè)調繪、修補測，采用鋼卷尺、全站儀進行作業(yè)，對于大面積缺漏的區(qū)域，采用激光掃描儀補測。根據照片進行外業(yè)調繪，外業(yè)補測數據在AutoCAD中進行制圖。

4.10地形圖精度檢測與分析

為分析三維激光掃描儀施測地形圖的精度，本文用全站儀采集了部分房角的坐標，同時用鋼卷尺量取了部分房屋邊長進行對比，其誤差見表1和表2。

圖11　某單位大院部分地形圖Fig.11　A part of topographic map for a courtyard

序號地物間名稱實量邊長D/m圖上邊長d/m(D-d)/cm1房寬14.0014.08-8.02房寬10.9210.911.03房寬10.8810.862.04房角-房角24.9624.933.05房寬9.309.34-4.06房角-房角4.194.172.07房寬6.236.24-1.08房角-房角5.525.53-1.0

表2　地物點平面位置誤差檢測表(部分)

表2(續(xù))

點號 原測坐標 檢測坐標 X/mY/mX/mY/mΔX/cmΔY/cmΔS/cm備注33168139.029685634.3043168139.042685634.324-1.30-2.002.39 43168138.063685636.0093168138.077685636.019-1.40-1.001.72 53168139.316685638.9363168139.300685638.9111.602.502.97 63168139.054685639.2643168139.045685639.2380.902.602.75 73168138.791685639.7443168138.766685639.7232.502.103.26 83168138.189685642.5763168138.198685642.582-0.90-0.601.08 93168136.622685642.5093168136.645685642.511-2.30-0.202.31 103168133.757685641.6413168133.772685641.623-1.501.802.34 113168138.988685651.2543168138.959685651.2662.90-1.203.14 123168139.086685655.2253168139.067685655.2051.902.002.76 133168139.151685659.5483168139.165685659.532-1.401.602.13 143168139.170685663.4633168139.154685663.4311.603.203.58 153168139.180685667.3743168139.131685667.3674.900.704.95

注：表2中，ΔS為點位誤差。

從表1、表2可以看出：利用三維激光掃描儀測量的地形圖的精度完全可以達到規(guī)范要求。

5　結束語

通過實例分析可以得出，三維激光掃描技術具有如下特點：

1)在無遮擋情況下可以長距離、大范圍、無接觸得到地貌地物特征點坐標；同時，能夠得到所掃描區(qū)域1∶1比例尺完整空間信息和相關屬性信息，內業(yè)人員可從掃描點云數據中提取出所需要的信息；變更比例尺時，只需按規(guī)范提取相應的特征點即可；一次掃描可獲得多種成果，可以提供高精度的DEM、三維模型、瀏覽視頻等增值產品，實現對數據的充分利用。

2)掃描速度快，節(jié)約時間，測量完整、精確，可多視角觀察可視化三維點云模型。無須接觸被測物體，可在光線昏暗條件下甚至夜間作業(yè)，尤其是對表面復雜物體的外形測量更具優(yōu)勢。

3)從效益上看，外業(yè)測量速度較快，然而內業(yè)數據處理及成圖可能要花費使用全站儀測量得到的數據處理時間的3倍，但把大量的外業(yè)工作轉移到了內業(yè)，改善了測量的工作環(huán)境。

4)隱蔽區(qū)域外業(yè)補測工作量較大。

5)植被覆蓋大的區(qū)域，如茅草、灌木、樹林覆蓋密集時掃不到地面，雖然TX8隨機軟件有植被剝離技術，但仍有看不到地面的情況，高程精度難以保證。

6)采集獨立地物(如消防栓、檢修井、路燈、電線桿等)時，在點云數據中查找不方便，需要在每站的Tse文件中查找，速度慢，影響內業(yè)效率。

7)軟件不夠完善，如何確保多站點云數據拼接精度及地物目標特征點線提取精度，是目前軟件需要解決的問題。

隨著GNSS硬件技術和地面三維激光掃描技術的不斷提高，其軟件性能不斷改善，將對推動和發(fā)展數字化與智能化在地形測量中的應用發(fā)揮積極作用。

[1]馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[2]范海英，楊倫，刑志輝，等.Cyra三維激光掃描系統(tǒng)的工程應用研究[J].礦山測量，2004(3)：16-18.

[3]謝武強，宋楊，王峰，等.三維激光掃描儀在建筑物立面測量中的應用[J].城市勘測， 2013(1)：12-14.

Application of 3D Laser Scanner Trimble TX8 in Topographic Map Measurement

WAN Xue-hua1，WANG Ji-wei2，WANG Rui2

(1.Geophysical & Geochemical Exploration Brigade of Jiangxi Bureau of Geology and Mineral Resources，Nanchang Jiangxi 330002,China； 2.Jiangxi Institute of Surveying and Mapping Geology and Mineral Resources，Nanchang Jiangxi 330030，China)

The article introduces the basic principle of 3D laser scanner.Then it expounds its advantages compared with GNSS RTK and total station and the working process of topographic map surveying and mapping.Finally,combined with an instance,the paper describes its working process，and tests and analyses the precision of topographic map，and validates the feasibility of the 3D laser scanning technology in topographic map measurement and has its advantages.

principle of 3D laser scanning technology；topographic map measurement；precision analysis

2016-05-05

P 225.2； P 217

A

1007-9394(2016)03-0010-05

萬雪華(1970～)，女，江西南昌人，學士，工程師，現主要從事測繪管理方面的工作。