楊海峰++黃承孝

摘 要：三維激光掃描技術(shù)可以很好地進行地形地質(zhì)測量，其不僅在測量上具有高度精準的優(yōu)勢，并且掃描效率高，操作較為靈活，這些都是普通的測量方法無法做到的。在我們生活中已經(jīng)有很多方面運用到此技術(shù)，在很大程度上為我國從事科技事業(yè)的人員解決了難題，并且為我國的工程事業(yè)的發(fā)展做出了進一步的推進。該文首先概述了關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的一些原理，然后對三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用地形測量進行了分析，以此得出一些結(jié)論并歸納，為相關(guān)人員提供一些建議性的幫助。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 地形測量 應(yīng)用

中圖分類號：P217 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0012-02

三維激光掃描技術(shù)的突破實在GPS空間定位技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，主要是對測繪數(shù)據(jù)的獲取、處理、服務(wù)方面進行了一次新的技術(shù)提升。當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)發(fā)展十分迅猛，如今已普遍應(yīng)用于大面積范圍，并且效益顯著。該文通過簡單概述三維激光掃描技術(shù)的原理，對其在地形測量中的應(yīng)用進行技術(shù)性分析。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)的主要組成有GPS差分定位系統(tǒng)（DGPS）、高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)（INS）以及激光測距系統(tǒng)。在利用光源的基礎(chǔ)上對測量對象進行探測獲取目標的三維坐標、地表信息并且構(gòu)建三維場景。

較為代表的激光測距傳感器的組成主要有測距單元、控制和處理單元以及光學(xué)機械掃描裝置。比較常用的激光測距方式有兩種，即脈沖式和相位式。脈沖式激光測距是根據(jù)激光發(fā)射裝置生成激光并將其發(fā)射至即光脈沖接觸實物，產(chǎn)生反射再被激光接收機接收。以此測得地表和激光發(fā)射器之間的距離，公式如（1）所示。相位式測距則是利用傳感器發(fā)射以及接收波之間的相位差來計算得出傳感器與目標之間的距離。除此之外，還可以通過系統(tǒng)內(nèi)的GPS能夠和測量區(qū)內(nèi)的GPS基站進行差分，以獲得傳感器具體空間位置；INS主要負責(zé)記錄傳感器的狀態(tài)。

R=1/2Ct （1）

1.2 點云數(shù)據(jù)的特點與處理

一套全面的LiDAR系統(tǒng)含有高分辨率數(shù)碼照相機所采集到的影像數(shù)據(jù)，INS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)，而此次該文主要集中在三維點云數(shù)據(jù)上進行研究。LiDAR數(shù)據(jù)與普通的遙感數(shù)據(jù)是有區(qū)別的，它主要是獲取離散的三維點云數(shù)據(jù)，而這種離散數(shù)據(jù)在同一平面內(nèi)可接觸到幾個高程值，可以很好地得知一些細節(jié)信息以及有巨大變動的目標，如電線桿、峭壁等，但與此同時也相對增加了種種地形信息獲取的難度。激光雷達數(shù)據(jù)第一次回波都是入射至物體像草坪、房屋等，最后一次是地面點反射形成的，可以說它的組成是多次回波的數(shù)據(jù)集中，整個流程比較繁雜，極其不方面進行數(shù)據(jù)處理。而點云數(shù)據(jù)不僅可以獲取目標的三維坐標，還可以得知地表物對激光具有的作用，這在很大程度上為后續(xù)處理濾波、分類奠定了寶貴的基礎(chǔ)，。但也有一個弊端，點云數(shù)據(jù)量比較大，在存儲上，一個運算上甚至計算機硬件都提出了很高很嚴格的要求。

通常地面LiDAR系統(tǒng)都是掃描儀生產(chǎn)廠商用來處理公司自營產(chǎn)品數(shù)據(jù)的軟件，像Leica公司的Cyclone軟件和Riegl公司的RiSCAN PRO軟件等基本的架構(gòu)和功能也是差不多類似的，在這些軟件下得出的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換成其他類型數(shù)據(jù)用AutoCAD，Geomagic，3DMAX等數(shù)據(jù)處理軟件，可以更加方便地對用戶的要求做出相應(yīng)的改變。當(dāng)前Cyclone已經(jīng)更新到7.0版本，版本內(nèi)容豐富，如添入了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在較為系統(tǒng)的完成數(shù)據(jù)采集的前提下，能夠很方便地進行數(shù)據(jù)處理流程，可以應(yīng)用于工程放樣，并可以通過Cyclone VIEWER模塊處理其它儀器（如航空雷達、非Leica測量系統(tǒng)的掃描儀）的ASCII，PTS和PTX等格式的數(shù)據(jù)

2 三維激光掃描技術(shù)在地形測量中的具體應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是為了了解勘測區(qū)內(nèi)的具體環(huán)境信息，如具體明確標靶的位置、掃描儀以及測站數(shù)，為了保障所獲取的數(shù)據(jù)的精準性，通常會選擇較少的測站，這樣就可以省去原始數(shù)據(jù)量造成的繁雜。為了后面數(shù)據(jù)匹配有效完成，通常會將點云數(shù)據(jù)的獲取和紋理數(shù)據(jù)的獲取進行同步操作。所以，必須嚴格按照所規(guī)定的比例尺規(guī)格進行選擇對應(yīng)的采樣標準，并依次逐站掃描。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光雷達點云數(shù)據(jù)在進行處理的時候，主要流程有：點石匹配、噪聲消除、分割、坐標變換、圖像匹配。而對于那些不是同一站點獲取的點云數(shù)據(jù)需要嚴格匹配正確，將其歸置于一個坐標系內(nèi)，進行目標構(gòu)模和進行定量分析。常采用的匹配方法有以下幾種。

（1）在GPS的幫助下，獲得各個掃描站點的具體坐標位置，將獲取的點云數(shù)據(jù)置于其中，以此就可以得出較為準確的點云地理位置，并且可進一步與其它遙感數(shù)據(jù)進行同步分析處理?；谂錅实幕A(chǔ)，利用地形的重采樣和手動點云對植被、電線桿、房屋、空氣等產(chǎn)生的噪音進行消除。分割點石構(gòu)建目標模型。截取清晰的紋理圖像與點石匹配，作為該地區(qū)的地理樣貌特征信息資料。

（2）如在掃描的時候多次掃到相同的目標，可作為匹配的公共點坐標系，將不同站掃獲的點云置于其中。

2.3 地物的提取與繪制

提取地物特征，如房屋角點、電線桿中心點，首先需要將點云數(shù)據(jù)匹配精確，然后按照紋理信息進行人工提取。也可以采用地面三維激光掃描，對掃描的結(jié)果進行處理提取，如利用Leica的Cyclone軟件，在點石視圖中手工提取地物特征點，并以一定的格式輸出到文本文件中。如，PointNum-ber，F(xiàn)eature Code，E，N ， H 0格式的文件，可直接導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測圖軟件（如CASS）中繪制地物。

2.4 等高線生成

詳細的地面信息不能用三維激光掃描，因為三維激光掃描密度較大，在地形測繪當(dāng)中點位過密且遍布不均。而如果采用掃描點構(gòu)造三角網(wǎng)追蹤等值線，很可能會因為一些繁瑣的細節(jié)信息，導(dǎo)致等高線混亂。因此，點云數(shù)據(jù)在排除非地貌因素干擾后，都會依照地形測繪的具體精度標準做出相應(yīng)的變動，最后得出數(shù)據(jù)，輸入大比例數(shù)字測圖軟件，以此生成等高線。

2.5 地形圖編輯

編輯地形圖的時候，可以將地物圖形和等高線圖形重疊編輯，但是會因為部分地物數(shù)據(jù)的刪除而影響等高線，造成等高線殘缺、異形、不完整等情況。所以，這里就需要手動修整點石數(shù)據(jù)，對照照片進行，添加高程注記，形成圖廓，修飾對局部。

3 結(jié)語

三維激光掃描系統(tǒng)本身就具有高效、精準的優(yōu)勢，將其運用于地形測繪當(dāng)中無疑是個很好的選擇，不但在很大程度上給工作人員的操作減輕了困難，還提高了工作效率，測繪結(jié)果也相比之前要好。可以說三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用，很大程度上幫助且完善了測繪工作，使測繪工作的開展進一步擴展提升，相關(guān)數(shù)據(jù)采集較為完備。但是三維激光掃描系統(tǒng)在進行測繪成圖的過程當(dāng)中，必須要依靠全站儀、GPS等設(shè)備高度配合的基礎(chǔ)下進行，精準掌握各個測站的坐標信息。而在此過程中，必須提高測站定位精度、目標物體反射面結(jié)果以及外界環(huán)境條件，主要是為了保障地形測繪成圖質(zhì)量，獲取高質(zhì)量的測繪成果圖。

參考文獻

[1] 孟濤.基于三維激光掃描技術(shù)的地形測量一體化應(yīng)用研究[D].長安大學(xué)，2013.

[2] 邱俊玲.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

[3] 曹璽，韓賢權(quán)，周玉紅，等.三維激光掃描技術(shù)在地形測繪成圖中的應(yīng)用[J].人民長江，2011（21）：89.