汪仁銀，李開偉，陳 銳，葉 波

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231; 2.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)繪是對(duì)傳統(tǒng)方式的重大變革。三維激光掃描技術(shù)結(jié)合了RTK技術(shù)，在測(cè)定掃描儀測(cè)站點(diǎn)定位和后視標(biāo)靶坐標(biāo)定向后，獲得全景范圍內(nèi)可見面域空間點(diǎn)連續(xù)的三維坐標(biāo)和影像，在視線不可及的地方再設(shè)站掃描，以致整個(gè)測(cè)區(qū)有重疊無(wú)漏洞。

1 作業(yè)流程

作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先對(duì)測(cè)區(qū)周圍環(huán)境進(jìn)行踏勘，確定掃描儀和標(biāo)靶的位置。一是要保證數(shù)據(jù)完整性；二是要盡量減少數(shù)據(jù)量；三是拍照便于數(shù)據(jù)處理、編輯修改。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于每次掃描只能得到測(cè)站為原點(diǎn)定義的一個(gè)局部坐標(biāo)系中，在掃描區(qū)域中設(shè)置一些控制標(biāo)靶，從而使得相鄰測(cè)站至少有3個(gè)同名控制標(biāo)靶，通過(guò)同名控制標(biāo)靶對(duì)多測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系。

1.3 地物的提取與繪制

地物特征點(diǎn)是在配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取的，如房屋角點(diǎn)、電線桿中心點(diǎn)等。可以利用后處理軟件手工或算法擬合特征點(diǎn)，并以一定的格式輸出到文本文件中。

1.4 地表數(shù)據(jù)獲取

由于是對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)空間信息的掃描，包含了地表的所有信息，地表植被會(huì)影響等高線的自動(dòng)生成，因此在生成等高線前需將非地表數(shù)據(jù)剔除，目前還沒有相應(yīng)的軟件能做到完全自動(dòng)化剔除。

1.5 等高線生成

掃描時(shí)距離設(shè)備較近時(shí)密度較大，對(duì)于地形測(cè)繪其點(diǎn)位太密且分布不均勻，需要抽稀處理。若直接用原始數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)三角網(wǎng)追蹤等值線，其細(xì)節(jié)信息過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致等高線紊亂。因此，需剔除非地貌數(shù)據(jù)，按地形測(cè)繪要求的密度進(jìn)行抽稀，最后導(dǎo)入對(duì)應(yīng)數(shù)字測(cè)圖軟件中，自動(dòng)生成等高線。

1.6 地形圖編輯

將地物圖形與等高線圖形進(jìn)行疊加、編輯，同時(shí)由于切除了地物部分?jǐn)?shù)據(jù)，造成生成的等高線局部缺失、扭曲、不光滑等，需要對(duì)照照片及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，手動(dòng)進(jìn)行修改，最后加上高程注記，生成圖視圖例圖廓，進(jìn)行局部修飾。

2 應(yīng)用案例

2.1 山區(qū)丘陵地帶野外地形

點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 每站點(diǎn)云用不同顏色顯示

圖3 距離掃描儀164 m處某棵樹的兩站點(diǎn)云效果

(1) 外業(yè)采集：架站10 min，采集13 min，運(yùn)輸7 min，平均每30 min一站數(shù)據(jù)。采集面積為0.883 km2。

(2) 內(nèi)業(yè)處理：主要為拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪、等高線、地形繪制，10 min處理一站數(shù)據(jù)。

(3) 精度驗(yàn)證：由于多為山區(qū)地形，沒有太多立面的房屋，不能很好地?cái)M合交線與RTK打的房屋角點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，因此在如下一個(gè)地方進(jìn)行了精度驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1.1 坐標(biāo)提取

在軟件中提取特征點(diǎn)的坐標(biāo)，將RTK坐標(biāo)和點(diǎn)云坐標(biāo)錄入Excel中，對(duì)比分析3個(gè)方向的差值及三維距離，并分析均方差。

通過(guò)不同的顏色顯示呈現(xiàn)兩站點(diǎn)云，在不同距離上比較房屋角點(diǎn)與RTK實(shí)際測(cè)量的數(shù)值，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出精度報(bào)表，如圖4所示。

圖4 RTK點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入

將轉(zhuǎn)換過(guò)坐標(biāo)的房屋拐點(diǎn)點(diǎn)云坐標(biāo)量測(cè)出來(lái)與RTK坐標(biāo)比對(duì)、統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

圖5

2.1.2 精度對(duì)比

將RTK采集的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，與點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出平均值與中誤差，如表1、圖6所示。

圖6 橋面兩站點(diǎn)云

由圖6可知，在點(diǎn)云中兩側(cè)橋面的寬度為11.522 0 m，RTK數(shù)據(jù)在CAD中為11.521 3 m。差距為1 cm，足精度要求。

表1 精度驗(yàn)證

2.2 城市小范圍測(cè)地形

(1) 精度驗(yàn)證比對(duì)方法:以實(shí)測(cè)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，與點(diǎn)云中提取的坐標(biāo)比對(duì)，統(tǒng)計(jì)其精度。

(2) 坐標(biāo)提取:在軟件中提取相應(yīng)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，并分析均方差,如圖7所示。

圖7 全站儀測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)云疊加(示例)

(3) 繪制地形圖：在軟件中繪制整個(gè)區(qū)域地形圖，并量測(cè)對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間距對(duì)比點(diǎn)云間距，判定精度，如圖8、圖9所示。

(4)精度對(duì)比：由圖8、圖9可知，大樓的寬度(靠籃球場(chǎng)一側(cè))在點(diǎn)云距離為7.926 7 m，CAD中距離為7.916 7 m，差距為1 cm，滿足精度要求。

2.3 帶狀地形

2.3.1 河道類型

為避免地質(zhì)環(huán)境或工程建設(shè)誘發(fā)加劇地質(zhì)環(huán)境問題，利用激光對(duì)景區(qū)河道進(jìn)行掃描，后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制地形圖完成對(duì)河道的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，判斷地質(zhì)災(zāi)害類型，為河道治理、景觀設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖8 在點(diǎn)云中繪制地1∶500形圖(示例)

圖9 在CAD中測(cè)距示意圖(示例)

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

圖11 河道整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3.3 測(cè)圖成果

獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過(guò)后處理軟件，設(shè)置等高距，自動(dòng)生成等高線，并聯(lián)動(dòng)CAD軟件，繪制并保存，如圖12、圖13所示。

圖12 河道整體等高線

圖13 河道局部等高線和點(diǎn)云

在軟件中還可以繪制水位線，進(jìn)行空間量測(cè)、軟件實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)顯示到成圖軟件中，繪制完畢即可成圖。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用案例證實(shí)了地面三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用，在測(cè)區(qū)面積較大時(shí)能夠快速而精確地采集大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有效節(jié)約人力物力，縮短工期，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益；在復(fù)雜地形和危險(xiǎn)測(cè)區(qū)，能夠不直接接觸危險(xiǎn)目標(biāo)，詳細(xì)、快速地進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，既保證了人員和設(shè)備的安全，又保證了成圖精度要求，并同時(shí)提高工作效率。

使用三維激光掃描儀，在山地丘陵區(qū)、城市地形測(cè)圖、帶狀地形圖都具有一定的優(yōu)勢(shì)和弊端。掃描技術(shù)在大比例尺地形測(cè)繪應(yīng)用實(shí)踐中，未來(lái)可以結(jié)合具體地形條件對(duì)以下問題進(jìn)行優(yōu)化：外業(yè)掃描前對(duì)測(cè)站和后視標(biāo)靶的布局設(shè)計(jì)；內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和去噪可靠性；數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的來(lái)源和削減；數(shù)據(jù)質(zhì)量的外符合評(píng)價(jià)。