三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘中的应用

摘 要：三维激光扫描作为一种新兴的测量技术，具有无需接触被测量物体、测量精度高、速度快等传统测量手段所不具备的显著特点和优势，本文主要介绍了三维激光扫描系统的构成及工作原理、点云数据采集与处理方法并结合工程实例探讨了利用三维激光扫描技术快速生成大比例尺地形图的方法与作业流程。

关键词：三维激光扫描;地形图测绘;数据处理

1 引言

目前地形图测绘主要是采用全站仪、GPS等大地测量仪器，这些测量手段技术相对成熟，实用性强，但存在野外工作量大，效率低，受地形条件影响，特别对于地形复杂、人员难以到达的区域获取数据具有一定的难度。近年来，随着计算机技术和科学技术的飞速发展，三维激光扫描技术作为一种全新的空间数据获取技术，已开始应用于测绘领域。三维激光扫描技术克服了传统测量方式的局限性，无需接触被测量物体，测量精度高、速度快，通过向被测对象发射激光束的方式，快速高分辨率的获取空间三维坐标数据，通过对数据的处理和建模，可以生成被测区域的三维虚拟模型和数字地形图，不仅提高了获取数据的信息量和精度，同时，也大大缩短了外业工作时间，降低了劳动强度，提高了内业数据处理的自动化和智能化程度。本文以Leica ScanStation2三维激光扫描为例介绍其在某区域大比例地形图测绘中的应用。

2 三维激光扫描系统的构成及工作原理

2.1 三维激光扫描系统的构成

三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统和电源供应系统构成，其中扫描系统主要包括激光测距系统和扫描系统;控制系统主要是控制整个扫描仪的正常工作，包括点云数据采集中对测站及后视定向信息的输入，各项扫描参数的设置及扫描区域的划分等;电源供应系统则主要给扫描系统提供电力保障。

2.2 三维激光扫描系统的工作原理

三维激光扫描技术是一种非接触式扫描测量技术，能够快速获取直接反映测量目标实时、真实的形态特性的空间点云数据，其工作原理是：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，从而可以计算目标点P与扫描仪器中心的距离S，同时控制编码器同步测量每个激光脉冲横向和纵向扫描角度的观测值α和β，如图1所示。依据公式1可得出目标点P的三维坐标。

以上求得的P点坐标为仪器自定义坐标系，坐标原点为扫描仪测距激光发射器的几何中心，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴一般为仪器的竖轴，与横向扫描面垂直。在实际工作中，需要将测量的点云数据转换为统一的测量坐标系中，为了操作方便，可在外业采集数据时输入架站点和后视点的坐标，由仪器自动完成坐标的转换。

3 点云数据的采集与处理

3.1 点云数据采集

本次数据采集区域位于某矿区，地形起伏较大，地物较少，这里主要采用Leica ScanStation2三维激光扫描仪对测区进行扫描测量，并利用华测X91GNSS双频接收机测定了测站点坐标，其作业流程如下：

3.1.1 准备工作

首先通过实地查勘确定测站点及扫描顺序，然后利用GNSS测量测定出测站点坐标。

3.1.2 设站

在控制点上架设三维激光扫描仪并进行对中整平，打开电源开关让仪器自检。

3.1.3 网络设置与连接

自检完毕后，将计算机与扫描仪用网线连接起来，打开Cyclone软件，创监测区的数据库和工程项目，执行Scanner Connect 进行网络连接。

3.1.4 拍照

执行get image命令，仪器会自动旋转并进行拍照，可通过设置进行局部或整体拍照，并且该照片可对建立的三维模型进行纹理贴图。

3.1.5 扫描设置

设置扫描主距、扫描精度、扫描范围和标靶类型以及后视定向。

3.1.6 获取点云数据

通过执行SCAN命令，就可获得所选区域的点云数据。

3.2 点云数据处理

点云数据处理主要是利用Cyclone软件对点云数据进行平滑去噪、匹配拼接等一系列的处理，最终得到所需要的点云数学模型和地形图。

3.2.1 平滑去噪

数据采集中受测量设备精度、操作者经验、被测物体表面质量、环境等因素的影响，点云数据不可避免地存在噪声点，因此在进行点云数据操作前应先进行平滑去噪处理。

3.2.2 匹配拼接

由于受地形和视角的影响，为获取完整的、全方位的三维地面信息，必须进行多测站、多视点的扫描测量，而每次架站获取的点云数据都是基于架站仪器坐标系下的坐标，点云数据的匹配拼接就是基于多个测站点扫描仪坐标系统的点云数据整合统一到测量坐标系下的过程，主要方法有：基于点云的拼接、基于标靶的拼接和基于控制点的拼接。由于本次实验仪器都架设在控制点上，并进行了定向，所测的点云数据都是基于同一个坐标系下，所以将控制点数据导入cyclone软件中，自动添加约束条件即可完成匹配拼接，如图2所示。

4 数据建模及地形图绘制

在保证精度前提下，利用cyclone软件对海量的点云数据进行抽稀处理，提取建筑物、道路等地物点数据并编制成二维图形，地形点数据通过植被过滤后按成图比例尺选择合适的点距过滤，然后生成三维数据模型（如图3所示），在此基础上，进行等高距设置并生成等高线（如图4所示），最后将图形直接导入到CASS软件中进行编辑处理并输出即可，这里也可以直接将提取的地物和高程点数据以TXT格式导出，再转化为DAT格式的CASS坐标文件，利用CASS软件进行编辑成图。

5 结束语

实践证明，将三维激光扫描仪应用于大比例尺地形图测绘中，其精度完全可以满足测量要求，与常规测图方法相比，三维激光扫描仪具有速度快、信息量大、精度高、实时性强、自动化程度高等优点，克服了传统测量仪器的局限性，能够直接获取高精度三维数据，特别是在人员难以到达的地区有着显著的优势。由于激光扫描仪获取的是海量的点云数据，同时点云数据中可能会包含有大量的地表上的杂草和树木等数据，如何在不影响精度和建模需要的前提下实现自动、快速获取取适当密度的点云数据有待进一步完善，解决了这一问题必将使三维激光扫描技术在地形图测绘领域得到更广阔的应用。

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作者简介：朱曙光（1980-），男，河南南阳人，讲师、技师，主要从事：地形图测绘及工程测量方向生产和教学工作。