三维激光扫描测量在地形图测量方面的应用

宋朝

摘 要：在地质条件较差人员难以到达的区域，传统的地形图测图方法显得无能为力，三维激光扫描技术数字化、精确、快速、不接触的特点正好可以解决这类问题。该文详细阐述了利用三维激光测量技术在进行山区复杂地形测量过程中的流程与方法。三维激光扫描技术在某些极端的测区环境中弥补了传统地形测量的局限性，为数字化测图提供了一种新的技术手段和方法。结果表明利用三维激光扫描技术测量的地形图基本符合地形图测绘的精度要求与此同时利用该技术极大地提高了生产作业效率，产生了良好的经济效益。

关键词：三维激光扫描 精细地形图 点云数据

中图分类号：P217 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0097-02

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期激光应用研究中的一项重大突破，被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”，又被誉为“三维实景复制技术”[1]。传统的地形图测量采用全站仪数字化测图、GPS-RTK测图、数字摄影测量等方法。但是这些方法外业工作量大，且在地形险峻、作业人员难以到达的地方往往显得无能为力[2]。三维激光扫描仪具有精度高、速度快、全数字特征、主动性强等特性[3]。基于这些技术优势三维激光扫描仪在非常规地形图测绘中的应用案例越来越多，尤其是在工程地质条件较差、人员无法到达、比较危险的地方，采用三维激光扫描仪对于局部地区的精细地形图测绘，具有其独特的技术优势。三维激光扫描技术运用于地形图测量改变了传统地形图测绘的作业流程，使外业测绘流程更加简单、工作时间更少、劳动强度明显下降、内业数据处理自动化程度显著提高，弥补了传统地形测量技术的不足[4]。目前三维激光扫描仪在进行地形图测量时并没有规范的作业流程和统一的生产标准，主要是使用三维激光扫描仪仪器厂商提供的软件进行相应的数据处理工作。不同品牌的仪器所开发的软件也有所不同，但是在功能上都大同小异。三维激光扫描技术为数字化测图提供了一种新的技术手段和方法。

1 三维激光扫描技术测量地形图的工作流程

与传统的全站仪数字化测图、GPS-RTK测图、数字摄影测量地形图等技术手段相比，三维激光扫描技术绘制地形图也分为内业和外业两部分。一是扫描仪的外业扫描，二是扫描数据的内业处理。不论是外业扫描还是内业的数据处理都有很多的技术细节。具体的技术工作流程如图1所示。

1.1 数据采集

在进行地形图测量之前，测区应进行控制点的布设，利用GPS测量图根控制点的坐标，然后利用三维激光扫描仪对测区内的三维场景进行扫描。扫描之前，首先根据现场地物的形状、测区的周围环境、三维激光扫描仪的有效测程等方面合理布设扫描仪的站点，每个站点根据地形图的精度要求设置合适的分辨率进行扫描[5]。布设站点的原则为以下几方面。

（1）尽可能的使每一个测站可以扫描到代表整个测区的点云数据。

（2）站点之间要有一定的重合比例方便后续的点云拼接工作。

（3）架设仪器时要避开障碍物的遮挡。

（4）在扫描过程中扫描仪不能中断以免影响采集数据的结果。

三维激光扫描仪测图的实质就是利用激光扫描的点云数据，提取地物目标特征信息，利用绘图软件绘制标准地形图的过程。

1.2 数据处理

三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息。将采集的数据导入到仪器自带的软件中进行数据处理工作。首先进行点云数据的预处理工作，包括如下几个方面：数据去噪、数据配准、数据精简、数据融合。其中数据去噪应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点[3]；数据配准是将多站点的数据拼接成完整的三维场景，然后将数据完整的导入指定的地理坐标系；数据精简是根据测区的实际情况和测图的精度要求，设置合适的采样密度抽稀点云数据，从而更加方便大规模点云数据的管理、存储和应用等[5]；数据融合主要是对点云数据进行识别分类获取场景比较准确的三维模型。单纯的点云模型对于识别地物的细节信息不够准确。继而采用专业的软件如Texcapture、Geomatic等将场景的点云模型和现场采集的照片精确的拼接在一起，使点云模型获得更为完整、准确、真实的纹理信息，尤其是在场景边缘和角落的空间信息。通过以上一系列的数据处理流程，再使用专业软件的特定功能进行植被或建筑物剔除，最后生成TIN模型数据。对TIN模型数据进行平滑或优化处理同时根据指定的等高线间隔自动生成等高线[6]。将点云数据生成的等高线导入AutoCAD软件进行地物轮廓信息的提取并保存为.DWG格式的文件。将绘制好的草图文件导入CASS软件，根据草图绘制标准地物符号。对绘制好的地图添加标准图幅、图名、比例尺、起始点坐标、制图单位、测量人、制图人、检查人等附属信息完成地形图的整饰工作。最终绘成的标准地形图样例文件如图2所示。

运用三维激光扫描技术进行地形图测绘有其独特的优势。由于采用扫描仪获取的是现实世界的三维全景信息，不存在绘制草图的过程。当进行地形图测绘时如果现场工作人员疏忽漏测或者操作不规范造成采集的数据不完整，不必返回到测区重新测量，直接利用点云的三维模型可以找到缺失的数据。在一定程度上减少了工作人员的工作量，同时对于采集数据的准确性和完整性也是一种保证，对于提高工作效率，节省人力物力都有很好的保证作用。

2 结语

面对客观世界对象的纷繁复杂，相比传统三维数据采集效率低，难以准确地表达客观对象的真实情况，进而使得三维数据实时获取在空间信息科学领域显得尤为重要。综观国内利用三维激光扫描仪进行地形图测绘的一些实际案例表明：三维激光扫描技术基于自身特点，特别适合工期紧、地质条件较差、测绘人员无法到达的、比较危险的地方，以及地面植被较少、视野宽广等地形。采用三维激光扫描仪可以完成传统测绘无法完成的任务，提供了一种全新的技术手段和解决方案。目前利用三维激光扫描仪在进行地形图测绘时仍然处于探索阶段，还没有规范的作业流程和一套完整成熟的基于点云数据的地形图测绘软件，在成图的过程中需要交互使用各种不同的软件，这就对成图的精度造成一定的影响。如何实现点云数据中地形特征点的自动或半自动化精确提取是今后研究的重要内容。当地形高低起伏遮挡情况比较严重时，容易出现数据漏洞，造成局部数据缺失，所以数据的不完整也是需要解决难点。未来通过三维激光扫描仪来建立虚拟的三维空间，从虚拟的空间中获取我们需要的地理信息以及地物和地貌的特征信息将是未来地形测量的主要发展方向。

参考文献

[1] 刘青锋，刘贺，王东.3维激光扫描技术在地形测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2013（5）：153-155.

[2] 梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报，2010（1）：53-56.

[3] 胡奎，王丽英.三维激光扫描技术在精细地形图绘制中的应用[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2013（7）：953-956.

[4] 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（21）：22-24.

[5] 邓爱民.车载激光扫描点云数据流处理抽稀方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[6] 孙德鸿，王占超.三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用[J].水利水电施工，2011（1）：76-80.

[7] 高绍伟，薄志毅，王晓龙.利用三维激光点云数据绘制地形图[J].测绘通报，2014（3）：67-70，74.