三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用

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三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用

发布日期： 2014-07-18 发布：  

  2014年2期目录       本期共收录文章20篇

　　摘要：随着我国经济水平的不断提高，测绘技术也有很大的改变，尤其三维激光扫描技术作为在测绘领域得到了广泛的应用，它快速、细致和高精度的特点减少了测绘人员的作业时间和强度，使测绘效率大幅度得以提高，具有传统测量手段无可比拟的优势。本文详细分析三维激光扫描技术，以及它在地形测绘成图中的应用，以供参考。
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　　关键词：地形测绘 三维激光扫描技术 应用
　　中图分类号：P234.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0089-01
　　以往的地形测绘成图是利用GPS设备、人工携带全站仪等仪器，采集野外有限个测点信息，经专业软件处理后再生成图的形式。传统方法虽然较为稳定，但测绘人员要面对一些危险性较大的区域和难以达到的高难度边坡位置，数据采集时间也较长，测绘人员工作强度大，稍不留神，容易导致意外事故。三维激光扫描技术改变了传统测绘的作业流程，缩短了外业工作时间，降低了测绘人员劳动强度和难度，提高了测绘成果的质量。
　　1 三维激光扫描技术相关概述
　　1.1 三维激光扫描技术
　　三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，突破了传统的单点测量方法，它和传统的GPS测量方式比起来具有高效率、高精度的独特优势，能够提供扫描物体表面的三维点云数据，所以，一些高精度高分辨率的数字地形模型也可通过三维激光扫描技术来获取。按照测量方式可划分为基于三角测距原理、基于脉冲式和基于相位差三种，按用途可分为室内和室外，概括来说就是长短距离不同的原理。通常基于脉冲式的三维激光扫描技术测程都较长，最远可达到6公里。而基于相位差原理的三维激光扫描技术测程就不如脉冲式，它的测程较短，只有百米左右。
　　1.2 特点
　　三维激光扫描具有三维扫描和快速扫描的特点。
　　传统测量概念里，几乎最终输出的数据都是二维结果（如CAD出图），在目前测量所使用的仪器当中全站仪、GPS占据大量的比例，然而测量出的数据都是二维形式的。但三维激光扫描技术每次测量出的数据都涵盖大量的测量信息，如R，G，B颜色信息，X，Y，Z点的信息，甚至物体反色率的信息也能同时反应出来，是传统测量手段无法企及的。
　　快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，快速扫描的测量速度能达到每秒1000点，而常规的测量手段，每一点的测量都会浪费2～5秒不等，三维激光扫描技术的出现正好改变了此现象，提高了工作效率和质量。
　　1.3 工作原理
　　三维激光扫描技术在进行探测和测距时利用了光来获取对象表面点的三维坐标，达到三维场景重建和提取地表信息的目的。完整的三维激光扫描系统需要有以下几个方面共同组成：激光测距系统、高精度动态GPS差分定位系统（DGPS）和高精度动态载体姿态测量系统（INS）。它首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号并经过旋转棱镜射向目标，之后运用探测器接收反射回来的激光脉冲信号，记录器将过程所产生的信号给详细的记录下来，最后转换成数据信息，测绘人员通过数据信息进行识别，将信息经软件处理后实现实体建模输出。
　　1.4 数据采集与处理
　　点云数据是指通过3D扫描仪获取的海量点数据，完整的三维激光扫描技术脱离不开INS数据，GPS数据和点云数据，三维激光扫描主要获取的是离散三维点云数据，有利于将细节信息和剧烈变化的地物和地形给展现出来。点云数据反射强度信息和地表物体对激光的作用信息，为进一步点云数据处理提供参考。数据采集中很重要的一个环节就是利用点云数据进行三维建模，最后创建出的三维模型质量也受其影响。数据采集工作流程为：现场勘查――相扫――精扫反射体――对目标区域的精扫――拍摄场景照片。数据处理流程也分为三个步骤，（1）校准；为了统一相机坐标系和扫描仪坐标系，只有统一好这个坐标系后，地贴纹理才能准确。（2）消除噪点；由于一些不可抗拒的因素或测量仪器等原因，不可避免会出现噪点，会影响数据质量，所以在操作点云数据之前，先清楚噪点。（3）点云的拼接；确定统一坐标系是点云拼接的前提，可以用项目坐标系PRGS作为统一的坐标系，及时不使用全站仪也可以。
　　2 三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用
　　（1）采集野外数据；考察测区周围环境，判断扫描仪、测站数和标靶的位置，尽量选择少的测站，使原始的数据量有所减少，保证完整的测量区域能用各扫描占最终获取的数据。同步获取纹理数据和点云数据，方便后续的数据处理匹配。选择相应的采样进度要根据不同的比列尺寸要求，扫描采用逐站的方式。
　　（2）数据预处理；通常激光雷达点云数据的预处理步骤包括如图1所示：
　　扫描的点云数据较为复杂，其获取都来自不同站点，统一至一个坐标系需要对扫描后的点云数据进行正确匹配，便于建模和定量化分析目标，正确的匹配方法也有所不同，①精确地理坐标可通过GPS提供各个扫描站点，使固定的地理坐标系中涵盖所有的点云数据，此类方法能使所有点云的真实地理位置可以准确获得，，为后期数据分析提供依据。消除地形重采样和手工点云数据的噪声，通常这些噪声中包含空气悬浮物，电线杆等。分割处理的点云，利于建模处理感兴趣的目标物。
　　（3）地物的绘制和提取。
　　提取点云数据还可利用三维激光扫描技术后期处理软件，如Gyclone软件，地物特征点可以在点云视图中手工提取，之后在文本文件中输出相应的格式，如E，H，Feature等，可以直接导入测绘图软件来绘制地物。
　　3 结语
　　总之，三维激光扫描技术来可以弥补传统地形测绘工作的许多不足之处，它快速、细致和高精度的特点减少了测绘人员的作业时间和强度，使测绘效率大幅度得以提高。地形测绘中，一些难以开展数据采集的高难度区域通过三维激光扫描技术可以快速顺利完成数据采集工作。三维激光扫描技术的深入研究对国民经济的可持续发展具有重大的现实意义，但是三维激光扫描技术也有外界环境条件、点云数据与目标物体反射面等不足之处，所以在使用过程中应尽可能客服上述不足之处，以便获取高精度的测绘成果。
　　参考文献
　　[1]孙德鸿，王占超.三维激光扫描技术在地形地质研究中的应用（二）[J].测绘通报，2011，（4）：85-86.
　　[2]曹玺，梁俊，王延洪等.三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用[J].人民长江，2011，42（21）：22-24.
　　[3]于广婷，刘嘉，白立飞，等.基于三维激光扫描技术的大比例尺地形图绘制方法[C].第十四届华东六省一市测绘学会学术交流会论文集.2012：97-99.

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