董 毅

（重慶市勘測(cè)院）

地形測(cè)繪主要分為2個(gè)方面，顧名思義，一是測(cè)，即測(cè)量，二是繪，即繪圖。在進(jìn)行地形測(cè)繪的時(shí)候，這2個(gè)方面基本都是同時(shí)進(jìn)行的［1-2］。我國(guó)地理環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，所以在進(jìn)行某一項(xiàng)工程施工之前，地形測(cè)量這一步基本是不可省去的。實(shí)際上，地形測(cè)繪的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，并不局限于建筑和道路建設(shè)。事實(shí)上，地球上的許多人類活動(dòng)都離不開地形測(cè)繪，例如交通運(yùn)輸、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等許多方面，這些人類活動(dòng)都在一定程度上或多或少地依賴著地形測(cè)繪［3-4］。隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于客觀世界的認(rèn)識(shí)水平不斷提高的同時(shí)，改造地球的能力也在逐漸提高，這就對(duì)于信息的采集和提取的要求更加詳細(xì)、精確。傳統(tǒng)的地形測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)沒有辦法滿足現(xiàn)代發(fā)展的需要，這時(shí)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這一技術(shù)不僅可以收集更為詳細(xì)的信息，其處理分析信息的能力也是一流，還可以存檔，受到了科研人員的一致好評(píng)，廣泛應(yīng)用于各種建設(shè)活動(dòng)。

1 三維激光掃描在地形測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)分析

三維激光掃描技術(shù)跟傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體如下。

（1）三維激光掃描儀能夠迅速獲取測(cè)量對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，這就極大提高了收集外業(yè)數(shù)據(jù)的速度，工作效率得到了極大提高，跟之前的測(cè)繪技術(shù)相比，它不僅減少了測(cè)量所花費(fèi)的時(shí)間，還為數(shù)據(jù)的更新提供了便利［5-6］。

（2）三維激光掃描儀每次掃描可以獲取被掃描目標(biāo)的大范圍空間信息，還能夠?qū)崟r(shí)探查被測(cè)量物體表面的三維數(shù)據(jù)。

（3）三維激光掃描儀不受光照、氣壓等外部因素的約束，可以全天候?qū)y(cè)量對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)探測(cè)。

（4）該系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)是通過(guò)發(fā)送和接受脈沖信號(hào)來(lái)獲取測(cè)量物體的表面信息，無(wú)需采取任何表面處理，尤其當(dāng)測(cè)量對(duì)象位于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)更加凸顯出來(lái)。

（5）三維激光掃描技術(shù)采集的信息基本都是以數(shù)字的形式呈現(xiàn)，并且易于自動(dòng)化顯示輸出。

2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集過(guò)程分析

2.1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

三維激光掃描地形測(cè)繪技術(shù)不再像傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)那樣繁瑣復(fù)雜，采用的是激光掃描的方法，得出被測(cè)量對(duì)象的二維坐標(biāo)信息，這種測(cè)量方式基本可以測(cè)量出任意位置和任意細(xì)節(jié)的信息［7］。

2.2 三維激光掃描地形測(cè)繪數(shù)據(jù)采集過(guò)程

三維激光掃描分為機(jī)載掃描和地面掃描2種方式，根據(jù)本次所選測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，這里僅簡(jiǎn)要闡述地面三維激光掃描地形測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集過(guò)程［8］，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程如圖1所示。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

相較于傳統(tǒng)的地形測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，必須對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，剔除原始數(shù)據(jù)中的冗余點(diǎn)后，才能用來(lái)進(jìn)行模型構(gòu)建及地形圖繪制，具體數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

3 三維激光掃描技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于賀蘭山北段腹地汝箕溝煤田陰坡大嶺灣采區(qū)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)為2.6 km，寬為1.9 km，呈矩形，面積為4.94 km2。陰坡大嶺灣采區(qū)四至概略坐標(biāo)如表1所示。

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通過(guò)前期測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，發(fā)現(xiàn)本次施測(cè)區(qū)域內(nèi)的地形較為復(fù)雜且起伏較大。針對(duì)測(cè)區(qū)地形復(fù)雜、起伏較大的實(shí)際情況，有針對(duì)性地制定了施測(cè)方案，主要包括控制點(diǎn)布設(shè)、定向標(biāo)記、數(shù)據(jù)掃描采集、數(shù)據(jù)處理等方案實(shí)施部分。

3.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。由于測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)不同因素的影響，三維激光掃描儀在不同測(cè)站所采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后才能整合到一起。當(dāng)前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接所能應(yīng)用的方法較多。根據(jù)本次所施測(cè)測(cè)區(qū)的具體情況，對(duì)三維掃描儀各測(cè)站所采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)選擇應(yīng)用公共標(biāo)靶法進(jìn)行拼接。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和平滑處理。在實(shí)際應(yīng)用三維激光掃描儀采集測(cè)區(qū)地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于掃描式的數(shù)據(jù)采集方式，測(cè)區(qū)內(nèi)地表存在的礫石、雜草及其他因素會(huì)在一定程度上影響地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，導(dǎo)致所采集到的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有不同程度的噪聲。對(duì)于這些地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有的噪聲，必須對(duì)其進(jìn)行去除，否則會(huì)對(duì)模型構(gòu)建精度、地形圖繪制質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。目前，測(cè)區(qū)地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)常采用手動(dòng)去除的方法進(jìn)行去噪，但是采用手動(dòng)方法無(wú)法完全去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有的噪聲。因此，若要最大程度地去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)含有的噪聲，還需通過(guò)數(shù)據(jù)平滑的方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行再次處理。圖3為經(jīng)過(guò)平滑處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀壓縮。相較于其他地形測(cè)繪方法，由于三維激光掃描技術(shù)采用分站式掃描的數(shù)據(jù)采集方法，在一定掃描半徑內(nèi)會(huì)采集到大量地形數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了三維激光掃描儀所采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量非常大，不便于后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)及傳輸。因此，要通過(guò)壓縮與抽稀的方法大大減少大量冗余的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)的處理。經(jīng)抽稀壓縮后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖如圖4所示。

（4）修補(bǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)空洞。由于測(cè)站假設(shè)、儀器掃描精度誤差及其他外界因素的影響，在應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行地形測(cè)繪時(shí)，無(wú)法將掃描半徑范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)全部采集進(jìn)去，會(huì)使所采集到的地形數(shù)據(jù)在一定程度上存在空洞。所以在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，還要對(duì)點(diǎn)云空洞進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)本次所施測(cè)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，采用全部填充的方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所存在的空洞進(jìn)行修補(bǔ)。在本次施測(cè)地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，對(duì)較小空洞進(jìn)行修補(bǔ)，圖5、圖6分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)修補(bǔ)前及經(jīng)修補(bǔ)后的示意圖。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模及地形圖繪制

當(dāng)前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模方法有2種：一種是基于三維點(diǎn)陣方法的數(shù)學(xué)建模，另一種是基于規(guī)則格網(wǎng)化建模。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方面，上述2種建模方法有著各自的優(yōu)勢(shì)及局限性，在實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模方法的選擇。根據(jù)本次所施測(cè)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，選擇應(yīng)用規(guī)則格網(wǎng)化的建模方法對(duì)所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建。

地貌和地物是進(jìn)行測(cè)區(qū)地形線化圖繪制所要考慮的兩大主要地形元素，進(jìn)行線化圖繪制時(shí)要根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際地形情況選擇所要繪制的地形元素。本次所施測(cè)的測(cè)區(qū)大部分區(qū)域?qū)倨教沟匦?，局部區(qū)域地形起伏較大，且整個(gè)區(qū)域內(nèi)地物相對(duì)較少。因此，在進(jìn)行測(cè)區(qū)地形線化圖繪制時(shí)僅考慮了地貌元素，且通過(guò)三維等高線的形式進(jìn)行繪制。本次等高線繪制采用通過(guò)Geomagic Studio 12將所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS中來(lái)實(shí)現(xiàn)，繪制完成的等高線如圖7所示。

4.4 三維激光掃描地形測(cè)繪成圖質(zhì)量評(píng)價(jià)

將用三維激光掃描儀通過(guò)掃描測(cè)量的方式得出的點(diǎn)三維坐標(biāo)和使用全站儀測(cè)量的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，不僅要計(jì)算出這些點(diǎn)的高程誤差，還要計(jì)算出這些點(diǎn)的平面誤差，通過(guò)對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)和驗(yàn)證三維激光掃描地形測(cè)繪的成圖質(zhì)量，并對(duì)一些測(cè)圖質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，其中的10個(gè)點(diǎn)布設(shè)在了地形起伏比較大的區(qū)域，有5個(gè)點(diǎn)布設(shè)在了平坦緩坡區(qū)域，并將全站儀所測(cè)的點(diǎn)位坐標(biāo)作為此次地形測(cè)量的真值。全站儀所測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示，三維激光掃描儀所測(cè)坐標(biāo)經(jīng)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)如表3所示。

通過(guò)對(duì)以上坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合表2和表3的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，這些檢測(cè)點(diǎn)的高程誤差小于3 cm，平面坐標(biāo)的誤差低于5 cm，因此可以得出用三維激光掃描儀通過(guò)掃描測(cè)量的方式得出的點(diǎn)三維坐標(biāo)的精度完全可以滿足要求。

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5 結(jié)論

本研究簡(jiǎn)要描述了三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用，通過(guò)與傳統(tǒng)地形測(cè)繪技術(shù)的對(duì)比，闡述了三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并以汝箕溝煤田陰坡大嶺灣采區(qū)實(shí)際地形測(cè)繪為依托，闡述了三維激光掃描技術(shù)在地形測(cè)繪中的具體應(yīng)用。為了驗(yàn)證三維激光掃描地形測(cè)繪的準(zhǔn)確性，隨機(jī)抽查了其中一些控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比核驗(yàn)，有力證明了三維激光掃描地形測(cè)繪的實(shí)用性。三維激光掃描技術(shù)憑借其跟傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相比的眾多優(yōu)勢(shì)，在如今的地形測(cè)繪工作中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。