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        三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用

        2019-01-07 00:58:54汪仁銀李開偉
        測(cè)繪通報(bào) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)靶等高線外業(yè)

        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)。

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