賀昆霖

（湖南省自然資源調(diào)查所，湖南 懷化 418000）

0 引言

傳統(tǒng)地形測(cè)量不但要投入諸多人力、物力，且花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，在三維掃描技術(shù)、無(wú)人機(jī)航測(cè)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用后，可使以往地形測(cè)繪的難題得到妥善解決，快速精準(zhǔn)的完成三維地形測(cè)繪任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，將常用的三維掃描與無(wú)人機(jī)航測(cè)兩種技術(shù)融合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可使測(cè)量效率與準(zhǔn)確性得到全面提升，即便是對(duì)地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的區(qū)域，同樣能夠獲得較高的數(shù)據(jù)精度，使測(cè)繪全面性與精確度充分滿足設(shè)計(jì)要求。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是依靠三維激光掃描儀對(duì)待測(cè)目標(biāo)展開掃描與測(cè)量，以地形測(cè)繪為例，依靠脈沖激光測(cè)距方式，在激光掃描儀應(yīng)用中，采用極坐標(biāo)系統(tǒng)，在內(nèi)部激光發(fā)射器朝著目標(biāo)點(diǎn)位發(fā)射激光，并利用接收器收集反射回的脈沖信號(hào)，從水平和垂直兩個(gè)角度獲取被測(cè)物體信息，計(jì)算出其與自身的距離，最后處理所求數(shù)據(jù)，套入大地坐標(biāo)后，得出最終點(diǎn)云坐標(biāo)值，完成對(duì)目標(biāo)點(diǎn)位的測(cè)繪與分析工作。在三維地形測(cè)繪中，其關(guān)鍵技術(shù)在于多視站點(diǎn)掃描、站點(diǎn)位置信息采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等，可為后期數(shù)據(jù)處理與三維產(chǎn)品輸出打好基礎(chǔ)。三維激光掃描技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)路線

1.2 三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

該項(xiàng)技術(shù)的功能日益完善，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集中無(wú)須數(shù)據(jù)載體，只需與GPS 設(shè)備連接即可，此舉可有效避免多個(gè)系統(tǒng)傳輸錯(cuò)誤的現(xiàn)象產(chǎn)生。在常規(guī)掃描狀態(tài)下，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，還可使DEM 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度明顯提升。在對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物掃描中同樣能夠采集更為完善的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，適用于古建筑保護(hù)、數(shù)字校園建設(shè)等領(lǐng)域中，可為工作效果提升提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。該技術(shù)以多視站形式采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其缺陷在于發(fā)射光線的仰角受到制約，導(dǎo)致受地形條件影響，很難準(zhǔn)確布置點(diǎn)位。在掃描點(diǎn)內(nèi)無(wú)高點(diǎn)，目標(biāo)頂部超過(guò)掃描范圍，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏，為DEM 數(shù)據(jù)采集工作帶來(lái)不便[1]。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)原理

無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)容較多，包括飛行器、相機(jī)、通信設(shè)備與云臺(tái)等，在測(cè)量期間，利用無(wú)人機(jī)外業(yè)航拍采集測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)，再精細(xì)化處理測(cè)區(qū)影像參數(shù)，創(chuàng)建DSM，篩除區(qū)域內(nèi)非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終得到測(cè)量成果，其技術(shù)流程如圖2 所示。按照上述技術(shù)流程，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理期間，應(yīng)與測(cè)區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合，合理設(shè)定航測(cè)路線與高度，在作業(yè)區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)確布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)位，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)測(cè)量后，再對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，綜合分析相控點(diǎn)匹配情況，得到更加準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)流程

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

該項(xiàng)技術(shù)是在航空遙感測(cè)量基礎(chǔ)上產(chǎn)生，與遙感技術(shù)相比，可采集更加優(yōu)質(zhì)準(zhǔn)確的地形信息。當(dāng)前多旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)模式較為成熟，在拍攝中不會(huì)被遮擋視線，通過(guò)調(diào)節(jié)航跡角度、增加飛行器數(shù)量等方式，可采集到詳細(xì)的目標(biāo)地形信息，其關(guān)鍵技術(shù)在于分區(qū)影像獲取、像控點(diǎn)位置信息采集、空三測(cè)量等。缺陷在于航拍角度受限，對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑物、水面等，無(wú)法準(zhǔn)確還原，點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)存在分層情況，使模型準(zhǔn)確度受到一定影響。在三維地形航測(cè)過(guò)程中，空中三角測(cè)量期間常常無(wú)同名像點(diǎn)支持，使像片很難形成定向精度，致使建模精度降低[2]。

3 三維激光掃描與無(wú)人機(jī)航測(cè)在地形測(cè)繪中的融合應(yīng)用

3.1 工程概況

以某村鎮(zhèn)測(cè)繪項(xiàng)目為例，比例尺為1:500，測(cè)區(qū)內(nèi)人員活動(dòng)量較大，包含大面積建筑。在地形掃描中，因局部受到遮擋，三維激光掃描技術(shù)很難全面掃描村鎮(zhèn)各個(gè)角落，針對(duì)掃描遺漏的區(qū)域，可利用無(wú)人機(jī)航測(cè)方式進(jìn)行補(bǔ)充，重點(diǎn)對(duì)建筑、植被茂盛區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核，三維激光掃描與無(wú)人機(jī)技術(shù)互為補(bǔ)充，相互校驗(yàn)，使檢測(cè)結(jié)果更加完善且詳細(xì)，充分滿足三維地形測(cè)繪要求。

3.2 站點(diǎn)掃描與數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

3.2.1 多點(diǎn)位掃描

三維激光技術(shù)利用定點(diǎn)掃描模式，按照技術(shù)流程，每次掃描能夠獲得被測(cè)目標(biāo)的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先要求對(duì)被測(cè)對(duì)象與周圍環(huán)境進(jìn)行考察，設(shè)置多個(gè)掃描站點(diǎn)，使被測(cè)對(duì)象得到多點(diǎn)位掃描，盡量采集完整詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、完善的情況下，盡量減少站點(diǎn)數(shù)量，提高掃描效果。在點(diǎn)位選擇時(shí)，通常選擇視野開闊、無(wú)遮擋的制高點(diǎn)。在實(shí)際掃描中，如若被測(cè)對(duì)象與自身相距較遠(yuǎn)，目測(cè)很難判斷其角度范圍，就要求在掃描期間，360°全景掃描每個(gè)站點(diǎn)，獲得點(diǎn)云圖。在初始圖像基礎(chǔ)上，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，得到精掃圖，也就是初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2.2 站點(diǎn)位置信息采集

在衛(wèi)星定位技術(shù)不斷成熟下，人們能夠在短期內(nèi)準(zhǔn)確掌握被測(cè)對(duì)象的位置信息。該項(xiàng)目采用RTK 技術(shù)進(jìn)行高精度定位，依靠GPS 載波相位觀測(cè)法，結(jié)合參考站與移動(dòng)站間的誤差關(guān)聯(lián)，依靠差分方式將移動(dòng)站內(nèi)觀測(cè)誤差剔除，提高定位精度。結(jié)合掃描儀原理可知，單站掃描數(shù)據(jù)相對(duì)位置的點(diǎn)云坐標(biāo)是以各站為原點(diǎn)，創(chuàng)建三維坐標(biāo)系，使各站數(shù)據(jù)納入坐標(biāo)系中，且互不干擾。為使各站信息能夠體現(xiàn)到相同坐標(biāo)系中，需要掃描各站坐標(biāo)信息，再對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)定位與配準(zhǔn)。在外業(yè)環(huán)節(jié)，利用RTK 與全站儀結(jié)合的方式，可使各站點(diǎn)大地坐標(biāo)得到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并量取儀器高度，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定位基準(zhǔn)，如若在測(cè)區(qū)內(nèi)沒(méi)有基準(zhǔn)控制點(diǎn)，則要對(duì)點(diǎn)位給予GPS 差分處理，選出特征最為典型的點(diǎn)位為原點(diǎn)，剩余點(diǎn)位以此為依據(jù)陸續(xù)納入坐標(biāo)系內(nèi)[3]。

3.2.3 點(diǎn)云模型配準(zhǔn)

該環(huán)節(jié)是兩項(xiàng)技術(shù)融合的核心所在，主要利用RTK 收集大地坐標(biāo)，放入坐標(biāo)系中，經(jīng)過(guò)三維變換和影像絕對(duì)定向，使初始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)云模型的大地坐標(biāo)系，再將兩項(xiàng)技術(shù)的點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)一起來(lái)，完成模型配準(zhǔn)。從本質(zhì)上看，坐標(biāo)系的三維轉(zhuǎn)變可看成是三維圖形轉(zhuǎn)變，點(diǎn)云拼接原理在于圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，尋找局部與全局坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣，對(duì)于多視點(diǎn)云來(lái)說(shuō)，在拼接中只涉及旋轉(zhuǎn)、平移，不需要縮放與投影，變換矩陣如式（1）所示。

對(duì)于三維激光技術(shù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，在配準(zhǔn)階段可將各測(cè)站坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，均納入大地坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，完成數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，如圖3 所示。對(duì)于無(wú)人機(jī)采集的數(shù)據(jù)，在空三加密處理中，可利用相控點(diǎn)控制絕對(duì)定向過(guò)程，使各個(gè)區(qū)域點(diǎn)云均可嵌入大地坐標(biāo)系內(nèi)。針對(duì)配準(zhǔn)后的點(diǎn)云模型，利用專業(yè)軟件編輯后，對(duì)數(shù)據(jù)增刪或整合，得出配準(zhǔn)后的模型。在相對(duì)定向結(jié)束后，相片位置基本明確，但在空間坐標(biāo)內(nèi)的絕對(duì)位置尚未確定，需要利用空間前方交匯方式，創(chuàng)建與地面相近的模型。在該模型中利用相對(duì)定向內(nèi)的連接點(diǎn)進(jìn)行控制，使該測(cè)區(qū)的相對(duì)坐標(biāo)變?yōu)榻^對(duì)。在空三加密完畢后，每張像片都擁有眾多加密點(diǎn)坐標(biāo)，需要對(duì)其進(jìn)行處理才可輸出三維產(chǎn)品[4]。

圖3 配準(zhǔn)后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理與輸出

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用中，可將兩種技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)整合起來(lái)，先分割提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將地表物體、植被與地形信息分類整理，再利用不同建模方式，創(chuàng)建相應(yīng)的模型，獲得DEM 不規(guī)則三角網(wǎng)模型。采用特征點(diǎn)法，求解該模型坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過(guò)模型無(wú)變形紋理映射，獲得正射影像數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，確定管轄范圍、拍攝范圍，獲得該工程的位置圖。最后借助AR 技術(shù)，對(duì)三維模型打包處理，輸出3D 產(chǎn)品，模型文件格式選用EXE 通用格式，支持在任何計(jì)算機(jī)上查看。值得強(qiáng)調(diào)的是，該項(xiàng)目利用三維激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，容易受地形地物的影響，導(dǎo)致個(gè)別區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)遺漏不全等情況產(chǎn)生，這就要求在實(shí)際測(cè)量中，發(fā)揮無(wú)人機(jī)航測(cè)的輔助作用，使數(shù)據(jù)缺陷得以補(bǔ)充，充分滿足地形測(cè)繪的各類要求。該項(xiàng)目中因航拍影像獲取的DSM模型沒(méi)有將植被剔除，對(duì)于植被覆蓋度低的區(qū)域，針對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，針對(duì)植被覆蓋度較高的位置，可用掃描數(shù)據(jù)與航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，預(yù)測(cè)植被高度；在等高線優(yōu)化中，利用QuickTerrain 軟件按照測(cè)量獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施處理，繪制等高距為1m 的線畫圖，將掃描數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)地面模型、RTK 測(cè)量等信息融合起來(lái)，可得到測(cè)區(qū)精細(xì)化地形圖，再將其嵌入到三維激光技術(shù)采集的地形圖內(nèi)，對(duì)兩種測(cè)量技術(shù)所得的相同點(diǎn)位高程、等高線走向的信息對(duì)比，結(jié)合對(duì)比結(jié)果，檢測(cè)與修改差異之處，使壩址區(qū)域更加明確[5]。

3.4 精度檢驗(yàn)

在DEM 地形測(cè)繪中，DEM 分辨率屬于關(guān)鍵指標(biāo)之一，對(duì)使用范圍具有較大影響。該指標(biāo)是指DEM 內(nèi)最小單元格的長(zhǎng)度，因其屬于離散數(shù)據(jù)，事實(shí)上，（X，Y）坐標(biāo)便是小柵格的外在表現(xiàn)，每個(gè)柵格都有自己的位置標(biāo)識(shí)，其尺寸便是DEM 分辨率，因此DEM 精度取決于柵格尺寸大小。在掃描站、像控點(diǎn)中選出80 個(gè)檢查點(diǎn)，所選各點(diǎn)位高程作為真實(shí)值，按照國(guó)家在地形圖航攝測(cè)量中的相關(guān)規(guī)定，選擇尺寸為0.5m、1.0m 和2.0m 的柵格，要求采樣點(diǎn)的誤差控制在±0.2m 左右。在現(xiàn)有TIN 模型基礎(chǔ)上，利用內(nèi)插法生成各個(gè)柵格對(duì)應(yīng)的DEM，對(duì)比各點(diǎn)位與DEM 內(nèi)插點(diǎn)，得出各柵格尺寸DEM 的誤差，如表1 所示。根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于不同柵格的DEM 來(lái)說(shuō)，誤差均低于要求范圍，沒(méi)有超出高程限定值的點(diǎn)數(shù)較少，同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)，且精度超過(guò)傳統(tǒng)地圖法得出的DEM 精度，分辨率最小值不足1m。

表1 精度檢驗(yàn)誤差成果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在地形測(cè)繪過(guò)程中，通過(guò)三維掃描與無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的融合應(yīng)用，可充分發(fā)揮前者大范圍、快速掃描的作用，后者對(duì)漏掃位置進(jìn)行補(bǔ)充，發(fā)揮二者合力，共同完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理、成品輸出等工作。與傳統(tǒng)模式相比，數(shù)據(jù)精度質(zhì)量更高，且適用于環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜之處，能夠節(jié)約大量成本與時(shí)間，掃測(cè)效果良好，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。