張新盈

【摘要】傳統(tǒng)地形測(cè)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(shí)間周期緊、成本高，快速高效的地形測(cè)量方法急需運(yùn)用到實(shí)際的地形測(cè)量工作當(dāng)中。三維激光移動(dòng)測(cè)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(shí)的三維數(shù)據(jù)信息，能夠明顯提高地形測(cè)量工作的效率和精度。本文基于青寧輸氣管道工程項(xiàng)目，結(jié)合地形測(cè)量工作的具體要求，系統(tǒng)的闡述了采用三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)量的整個(gè)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng) ?地形測(cè)量 ?精度

一、地形測(cè)量測(cè)繪技術(shù)現(xiàn)狀

地形測(cè)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(cè)圖法

使用全站儀進(jìn)行測(cè)圖包括以下幾個(gè)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(shí)體屬性信息以及空間位置信息。

該方法作業(yè)流程簡(jiǎn)單、采用的設(shè)備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，在進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行地形測(cè)量和控制測(cè)量，該方法作業(yè)流程簡(jiǎn)單、采用的設(shè)備成本較低而且數(shù)據(jù)精度高，方便進(jìn)行內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，在進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行地形測(cè)量和控制測(cè)量。傳輸設(shè)備、繪圖儀、計(jì)算機(jī)的連接構(gòu)成一體式的測(cè)繪系統(tǒng)極大的提升了地形圖測(cè)繪的測(cè)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(diǎn)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(diǎn)間需要通視，部分復(fù)雜地區(qū)需要連續(xù)搬站）。

（二）RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)

RTK具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速等特點(diǎn)，測(cè)量過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示使得工作過程較為透明、直觀;外業(yè)作業(yè)時(shí)間短;作業(yè)時(shí)間不受限制;自動(dòng)化水平高;大大降低了外業(yè)測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度，測(cè)圖所需的控制點(diǎn)數(shù)目較傳統(tǒng)測(cè)圖減少許多，"先控制測(cè)量、后碎部測(cè)圖”的測(cè)量方式得以改變，只需一個(gè)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(dòng)人數(shù)，提升測(cè)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(cè)量

近景攝影測(cè)量的典型特點(diǎn)不接觸被量測(cè)對(duì)象、快速、實(shí)時(shí)地測(cè)定大量點(diǎn)，可以在線和實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成

三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)有激光掃描儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、時(shí)間同步模塊、GNSS天線、單反相機(jī)（機(jī)載模式）、全景相機(jī)（車載模式組成）。激光掃描儀獲取目標(biāo)地物的空間信息數(shù)據(jù)有快速均勻高質(zhì)量的特點(diǎn);GNSS天線獲取地物高精度定位信息和時(shí)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(jī)和全景相機(jī)實(shí)在不同模式下獲取地物的紋理色彩信息;時(shí)間同步模塊是將GNSS天線獲取的時(shí)間信息同步給激光掃描儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和相機(jī)，保持系統(tǒng)各個(gè)部件單元時(shí)間的一致性。

三、三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以搭載不同平臺(tái)快速獲取地表地物的三維空間信息運(yùn)行成本低、自動(dòng)化程度高，提高了工作效率，減少人工外業(yè)測(cè)量的危險(xiǎn)性。其優(yōu)點(diǎn)十分明顯。

（1）作業(yè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立：在整個(gè)測(cè)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(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的編輯處理。相對(duì)傳統(tǒng)方式而言，作業(yè)效率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，測(cè)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(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的地形測(cè)量中應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合青寧輸氣管道選線項(xiàng)目利用三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)量。

（一）作業(yè)依據(jù)

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

（2）《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》CH/T 2009-2010

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

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

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

（6）《機(jī)載激光雷達(dá)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(zhǔn)

坐標(biāo)系統(tǒng)：2000國家大地坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系;

高程系統(tǒng)：1985國家高程基準(zhǔn);

坐標(biāo)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(xiàng)目概況與資料收集

測(cè)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(dá)，便于車輛通行。在谷歌地球上獲取，測(cè)區(qū)高程在14-278米之間，整體高差變化不大，航測(cè)難度系數(shù)較小。但是整個(gè)測(cè)區(qū)沿線橫跨2個(gè)軍事作戰(zhàn)區(qū)，2個(gè)民用機(jī)場(chǎng)，1個(gè)軍民共用機(jī)場(chǎng)。中線距機(jī)場(chǎng)最近距離約為3km，以機(jī)場(chǎng)為中心，半徑30km內(nèi)空域受機(jī)場(chǎng)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(cè)，空域情況非常復(fù)雜。單駕次有效飛行時(shí)間較少，實(shí)際作業(yè)中航測(cè)難度較大。

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

經(jīng)向國家有關(guān)部門申請(qǐng)，獲取測(cè)區(qū)沿線一定數(shù)量的C級(jí)GPS控制點(diǎn)和四等以上水準(zhǔn)點(diǎn)，作為控制數(shù)據(jù)的起算數(shù)據(jù)。

（四）控制測(cè)量

根據(jù)本測(cè)區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求，本次D級(jí)GPS控制網(wǎng)測(cè)量選擇中央子午線為120°00′00″，投影面分別為1980西安坐標(biāo)系參考橢球面和2000國家大地坐標(biāo)系參考橢球面。起算點(diǎn)共12個(gè)，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(jí)GPS控制網(wǎng)測(cè)量投入南方S86型雙頻三星GPS接收機(jī)7臺(tái)套（備用1套）。接收機(jī)出廠編號(hào)為0297﹑6145﹑0871﹑9725﹑0188﹑6131和3486。經(jīng)國家光電測(cè)距儀檢測(cè)中心鑒定為合格，在有效期范圍內(nèi)。本次觀測(cè)以前，該套設(shè)備已開展過多個(gè)測(cè)區(qū)的GPS控制測(cè)量任務(wù)，儀器性能穩(wěn)定，觀測(cè)質(zhì)量良好。

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

（五）航測(cè)作業(yè)采集數(shù)據(jù)

控制點(diǎn)布設(shè)完畢后，按照航線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。機(jī)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)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(cè)量;確定作業(yè)時(shí)間;飛行前準(zhǔn)備工作;數(shù)據(jù)采集;補(bǔ)飛或重飛。

（六）數(shù)據(jù)處理及激光雷達(dá)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(cè)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(cè)量的辦法進(jìn)行地形測(cè)量效率較低、需要大量的外業(yè)人力投入，成本高、時(shí)間長，而且受天氣影響極大，外業(yè)計(jì)劃變數(shù)大使得整個(gè)作業(yè)流程受影響，效率地下。三維激光移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的快速獲取地表地物的真實(shí)三維數(shù)據(jù)信息的特性正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)作業(yè)的不足：效率高，人員投入少，可以廣泛運(yùn)用到各種地形測(cè)量工作中。

基于青寧輸氣管道工程，運(yùn)用三維激光移動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)量技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用出發(fā)，介紹了三維激光移動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)制作3D產(chǎn)品的整個(gè)流程。得出的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

（1）結(jié)合地形測(cè)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(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：大范圍的地形測(cè)量項(xiàng)目首選三維激光技術(shù)來解決。

（2）研究三維激光移動(dòng)測(cè)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(jì)、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(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)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(shí)例，驗(yàn)證三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在地形測(cè)量中的數(shù)據(jù)精度精度，總結(jié)分析三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在地形測(cè)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(xiàng)。

（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(shí)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(duì)臨近冬季，軍方飛行活動(dòng)增加，多套規(guī)劃航線的制定，從兩個(gè)方面體現(xiàn)，針對(duì)作業(yè)時(shí)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(shí)時(shí)有效調(diào)整方案，切換至有效區(qū)域按計(jì)劃飛行，提高效率。

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