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(shù)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(jié)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(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)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(shù)現(xiàn)狀

地形測量在先階段采用的技術(shù)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(shè)備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進行內(nèi)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(shè)備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進行內(nèi)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(shè)備、繪圖儀、計算機的連接構(gòu)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(zhì)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(fù)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(fù)雜地區(qū)需要連續(xù)搬站）。

（二）RTK實時動態(tài)定位技術(shù)

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(dǎo)入相關(guān)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(wù)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(dǎo)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(zhì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(nèi)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(dǎo)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(nèi)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(yīng)用實例

結(jié)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(shù)規(guī)范》CH/T 2009-2010

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

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

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

（6）《機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(nèi)，高差變化較緩，江蘇境內(nèi)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(nèi)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(fù)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(guān)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(shù)設(shè)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(nèi)的3065﹑3073、5063、3252、3253、3167、3249和山東省范圍內(nèi)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(nèi)。本次觀測以前，該套設(shè)備已開展過多個測區(qū)的GPS控制測量任務(wù)，儀器性能穩(wěn)定，觀測質(zhì)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(shè)完畢后，按照航線設(shè)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(guān)聯(lián)程度大，技術(shù)復(fù)雜度高，為保證完成高質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集，通常需要做好如下環(huán)節(jié)：設(shè)備安裝與基站架設(shè);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(jié)論

地形測量作業(yè)范圍廣，地形復(fù)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(shù)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(shù)在地形測量中的應(yīng)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(jié)論有以下幾點：

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

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

（3）結(jié)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(jié)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(shù)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?qū)崟r情況快速調(diào)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(diào)整方案，切換至有效區(qū)域按計劃飛行，提高效率。

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