張新盈

【摘要】傳統(tǒng)地形測量方法工作量大、效率低、數(shù)據(jù)采集量大、精度要求高、技術人員投入多、時間周期緊、成本高，快速高效的地形測量方法急需運用到實際的地形測量工作當中。三維激光移動測量系統(tǒng)可以以多種方式快速高效的采集外業(yè)數(shù)據(jù)，并通過后處理方式獲取地物真實的三維數(shù)據(jù)信息，能夠明顯提高地形測量工作的效率和精度。本文基于青寧輸氣管道工程項目，結合地形測量工作的具體要求，系統(tǒng)的闡述了采用三維激光移動測量系統(tǒng)進行地形測量的整個流程，探討了其中的部分關鍵技術。

【關鍵詞】三維激光移動測量系統(tǒng) ?地形測量 ?精度

一、地形測量測繪技術現(xiàn)狀

地形測量在先階段采用的技術手段主要有以下幾種：

（一）全站儀測圖法

使用全站儀進行測圖包括以下幾個步驟：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形編輯以及圖形輸出。數(shù)據(jù)采集可獲取地形圖繪制所需要的實體屬性信息以及空間位置信息。

該方法作業(yè)流程簡單、采用的設備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進行內外業(yè)一體化作業(yè)，在進行地形圖測繪時，可以同時進行地形測量和控制測量，該方法作業(yè)流程簡單、采用的設備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進行內外業(yè)一體化作業(yè)，在進行地形圖測繪時，可以同時進行地形測量和控制測量。傳輸設備、繪圖儀、計算機的連接構成一體式的測繪系統(tǒng)極大的提升了地形圖測繪的測繪質量及工作效率但是工作效率非常低、而且比較容易受到環(huán)境等因素的影響（如兩點間需要通視，部分復雜地區(qū)需要連續(xù)搬站）。但是工作效率非常低、而且比較容易受到環(huán)境等因素的影響（如兩點間需要通視，部分復雜地區(qū)需要連續(xù)搬站）。

（二）RTK實時動態(tài)定位技術

RTK具有實時、動態(tài)、快速等特點，測量過程的實時動態(tài)顯示使得工作過程較為透明、直觀;外業(yè)作業(yè)時間短;作業(yè)時間不受限制;自動化水平高;大大降低了外業(yè)測繪人員的工作強度，測圖所需的控制點數(shù)目較傳統(tǒng)測圖減少許多，"先控制測量、后碎部測圖”的測量方式得以改變，只需一個人采集數(shù)據(jù)，并將其導入相關軟件中，可編輯各種比例尺的地形圖，減少勞動人數(shù)，提升測圖效率。但作業(yè)效率仍然很低，工作量大，難以滿足工期任務要求。

（三）近景攝影測量

近景攝影測量的典型特點不接觸被量測對象、快速、實時地測定大量點，可以在線和實時處理數(shù)據(jù)一瞬間記錄下物體的形狀、大小、幾何位置、變形等特征數(shù)據(jù)，自動化程度高。但容易受到環(huán)境因素的影響，作業(yè)范圍小。

二、三維激光移動測量系統(tǒng)組成

三維激光移動測量系統(tǒng)有激光掃描儀、慣性導航系統(tǒng)、時間同步模塊、GNSS天線、單反相機（機載模式）、全景相機（車載模式組成）。激光掃描儀獲取目標地物的空間信息數(shù)據(jù)有快速均勻高質量的特點;GNSS天線獲取地物高精度定位信息和時間信息;慣性導航系統(tǒng)可以獲取獲取數(shù)據(jù)瞬間的三維位置信息、速度信息、姿態(tài)信息，為提高定位精度常與GNSS天線組成組合導航系統(tǒng);單反相機和全景相機實在不同模式下獲取地物的紋理色彩信息;時間同步模塊是將GNSS天線獲取的時間信息同步給激光掃描儀、慣性導航系統(tǒng)和相機，保持系統(tǒng)各個部件單元時間的一致性。

三、三維激光移動測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

三維激光移動測量系統(tǒng)可以搭載不同平臺快速獲取地表地物的三維空間信息運行成本低、自動化程度高，提高了工作效率，減少人工外業(yè)測量的危險性。其優(yōu)點十分明顯。

（1）作業(yè)系統(tǒng)相對獨立：在整個測成圖過程中通過該系統(tǒng)及其配套軟件便能夠完成電子地圖的繪制，期間可以不需要任何底圖。

（2）成果獲取效率高：外業(yè)測圖工作以正常行車速度可方便完成，內業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行快速的編輯處理。相對傳統(tǒng)方式而言，作業(yè)效率提高了一個數(shù)量級，測制與快速更新導航電子地圖的就有了很好地保障。

（3）數(shù)據(jù)融合度高：能夠很好的與傳統(tǒng)地形圖、衛(wèi)片、航片等融合主要借助車載移動測量系統(tǒng)及其配套的處理軟件處理，獲取信息更為全面。

（4）成本低、安全性高：完成數(shù)據(jù)采集需求人員少，降低了作業(yè)成本。而且外業(yè)大部分工作通過內業(yè)完成，與傳統(tǒng)外業(yè)工作相比安全、舒適。

四、三維激光移動測量系統(tǒng)的地形測量中應用實例

結合青寧輸氣管道選線項目利用三維激光移動測量系統(tǒng)進行地形測量。

（一）作業(yè)依據(jù)

（1）《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》GB/T 18314-2009

（2）《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術規(guī)范》CH/T 2009-2010

（3）《數(shù)字測繪成果質量檢查與驗收》GB/T 18316-2008

（4）《高程控制測量成果質量檢驗技術規(guī)程》CH/T 1021—2010

（5）《平面控制測量成果質量檢驗技術規(guī)程》CH/T 1022—2010

（6）《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術規(guī)范》CH/T 8023-2011

（7）《數(shù)字航空攝影規(guī)范 第2部分：推掃式數(shù)字航空攝影》GB/T 27920.2-2012

（二）采用基準

坐標系統(tǒng)：2000國家大地坐標系和1980西安坐標系;

高程系統(tǒng)：1985國家高程基準;

坐標投影：采用高斯—克呂格投影，中央子午線120度，3度分帶;

成圖比例尺：1：2000。

（三）項目概況與資料收集

測區(qū)由北向南橫跨536km，沿線以平原和丘陵為主。丘陵主要分布在山東境內，高差變化較緩，江蘇境內以平原為主。交通路網(wǎng)發(fā)達，便于車輛通行。在谷歌地球上獲取，測區(qū)高程在14-278米之間，整體高差變化不大，航測難度系數(shù)較小。但是整個測區(qū)沿線橫跨2個軍事作戰(zhàn)區(qū)，2個民用機場，1個軍民共用機場。中線距機場最近距離約為3km，以機場為中心，半徑30km內空域受機場管制。每駕次起飛前，需征求管制單位意見，得到許可后，方可起飛航測，空域情況非常復雜。單駕次有效飛行時間較少，實際作業(yè)中航測難度較大。

已有資料包括甲方提供的測區(qū)范圍及向國家申請的控制起算數(shù)據(jù)。

經(jīng)向國家有關部門申請，獲取測區(qū)沿線一定數(shù)量的C級GPS控制點和四等以上水準點，作為控制數(shù)據(jù)的起算數(shù)據(jù)。

（四）控制測量

根據(jù)本測區(qū)技術設計書的要求，本次D級GPS控制網(wǎng)測量選擇中央子午線為120°00′00″，投影面分別為1980西安坐標系參考橢球面和2000國家大地坐標系參考橢球面。起算點共12個，分別為江蘇省范圍內的3065﹑3073、5063、3252、3253、3167、3249和山東省范圍內的GPS54、GPS57、C099、C098、C094。

本次D級GPS控制網(wǎng)測量投入南方S86型雙頻三星GPS接收機7臺套（備用1套）。接收機出廠編號為0297﹑6145﹑0871﹑9725﹑0188﹑6131和3486。經(jīng)國家光電測距儀檢測中心鑒定為合格，在有效期范圍內。本次觀測以前，該套設備已開展過多個測區(qū)的GPS控制測量任務，儀器性能穩(wěn)定，觀測質量良好。

經(jīng)外業(yè)觀測及網(wǎng)平差，平差后最弱邊相對中誤差為1/495136，滿足規(guī)程要求。

（五）航測作業(yè)采集數(shù)據(jù)

控制點布設完畢后，按照航線設計方案進行數(shù)據(jù)采集。機載移動測量系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，系統(tǒng)關聯(lián)程度大，技術復雜度高，為保證完成高質量數(shù)據(jù)的采集，通常需要做好如下環(huán)節(jié)：設備安裝與基站架設;偏心矢量測量;確定作業(yè)時間;飛行前準備工作;數(shù)據(jù)采集;補飛或重飛。

（六）數(shù)據(jù)處理及激光雷達數(shù)據(jù)處理及3D數(shù)據(jù)生產(chǎn)如下圖1、圖2。

五、結論

地形測量作業(yè)范圍廣，地形復雜，條件艱苦，工作量大，精度要求高，傳統(tǒng)測量的辦法進行地形測量效率較低、需要大量的外業(yè)人力投入，成本高、時間長，而且受天氣影響極大，外業(yè)計劃變數(shù)大使得整個作業(yè)流程受影響，效率地下。三維激光移動測量技術的快速獲取地表地物的真實三維數(shù)據(jù)信息的特性正好彌補了傳統(tǒng)作業(yè)的不足：效率高，人員投入少，可以廣泛運用到各種地形測量工作中。

基于青寧輸氣管道工程，運用三維激光移動測量系統(tǒng)制作了村落的1：2000比例尺的DEM、DOM、DLG。從三維激光移動測量技術在地形測量中的應用出發(fā)，介紹了三維激光移動測量系統(tǒng)的組成、工作原理、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和3D數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。系統(tǒng)的闡述了利用三維激光移動測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)制作3D產(chǎn)品的整個流程。得出的主要結論有以下幾點：

（1）結合地形測量的工作規(guī)程和技術要求，分析三維激光技術在地形測量中的應用優(yōu)勢：大范圍的地形測量項目首選三維激光技術來解決。

（2）研究三維激光移動測量系統(tǒng)的基本流程和關鍵技術。包括控制網(wǎng)布設、航線規(guī)劃設計、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)質量檢查等外業(yè)工作，數(shù)據(jù)預處理、激光雷達數(shù)據(jù)處理機3D數(shù)據(jù)生產(chǎn)等內業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。

（3）結合具體生產(chǎn)實例，驗證三維激光移動測量系統(tǒng)在地形測量中的數(shù)據(jù)精度精度，總結分析三維激光移動測量系統(tǒng)在地形測量中的作業(yè)流程和技術方案，及制作3D產(chǎn)品的注意事項。

（4）提前規(guī)劃多套飛行方案，制定多套規(guī)劃航線，根據(jù)空域實時情況快速調整飛行方案，有效的提高了外業(yè)飛行效率。針對臨近冬季，軍方飛行活動增加，多套規(guī)劃航線的制定，從兩個方面體現(xiàn)，針對作業(yè)時間和天氣上，分區(qū)域分塊制定航線，一旦天氣變化及收到禁飛通知，可以實時有效調整方案，切換至有效區(qū)域按計劃飛行，提高效率。

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