三维激光扫描技术在地理测绘中的优势与应用

胡明明 江西省核工业地质局二六五大队

一、三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术是20 世纪末出现的一项新的激光应用技术，该技术突破了GPS 测绘技术的局限，被看作是测绘技术的一次重大革命。三维激光扫描技术所用的是激光测距，通过对目标进行激光照射，通过分析密集的三维坐标所反映出的各种纹理、反射等相关信息和数据，快速地将数据信息整合形成具备点、线、面、体的综合式图件数据集合，以便于分析被测目标的几何构造和内部情况。三维激光扫描主要分为地面扫描仪和机载扫描仪，在地形测绘、工程测绘、变形监测等方面应用较多。三维激光扫描测绘的系统，主要由内置相机和采集器、电源构件、处理软件和其他零部件组成，其中主要功能实现的部件包括了激光发射与接收器、可控滤光镜、时间计数器、集成控制电路、微电脑、操作系统和其他软件等。由激光发射器进行周期式脉冲发送，反射后的信号数据由接收器识别接收，由石英钟式的时间校准器完成时差对接和校正，经精密计数后由系统集中处理和识别并获得初始扫描测绘数据，最终经计算和模型构建形成X、Y、Z 三维图件，X 为轴向垂直，Y和Z 为横向面垂直。其中基本计算方式为：X=Scosθcosa，Y=Scosθsina，Z=Ssinθ。在计算完毕坐标点位信息之后，结合相机数据分析的纹理、外形、边缘等信息数据，为最后的建模进行校正，确定最终的三维数字化模型。

二、三维激光扫描技术在地理测绘中的优势

传统的地理测绘技术主要有GNSS、RTK、GPS 等作为基础，依靠全站仪结合卫星定位实时测绘，在野外地理测绘时多由人工实地布点，对被测目标的特征进行单独测绘，再根据上传的局部信息进行整合，生成CAD 等形式的二维式图件，虽然能够对被测目标进行相对全面的描绘，但实际上存在一定的不足，在测绘结果上会表现出图像模型精准度不高、不能直观表现出被测目标特征的全貌等问题。

三维激光扫描技术可以有效地完成长短距离的测绘需求，其中脉冲式的测绘技术，可以完成6km 内的高质量测绘任务，测绘过程不需要实地布点即可实现，由此缩减了工作难度和工作量。在融合传统测绘技术的基础上，采集以目标点周边全范围的连续数据信息，不仅能够有效建立三项坐标下的立体图像模型，还能结合颜色信息、反射率等对模型进行完善，数据在整理、拼凑、过滤后，还能除去漏洞，形成复杂地形下的等高线和特殊地形表示，从而更加直观地展现地理特征。在测量速度方面，三维激光扫描技术逐步由1000 点/s 的测绘速度成功进化到50000 点/s 的脉冲扫描速度，而先进的相位扫描仪器，扫描速度甚至达到了百万级的速度，由此在应对超大范围的测绘时，可能快速完成任务获取基本地理信息。在大数据技术的支持下，采集数据可以实现在线采集、传输和云存储，实现地理测绘数据的共享，为包括虚拟实景等采样与成模提供有效帮助。因此三维激光扫描技术实际上具有低资源消耗、高效率、高精准度、多应用方向的优势。

三、三维激光扫描技术在地理测绘中的应用

（一）应用方案

为了保证三维激光扫描技术在地理测绘中的效果，对测绘流程进行细致安排，包括数据采集、数据处理、模型生成三大主要流程，对被测绘区域采用抽查图像法对比地形图，检查点云和测绘站点的坐标位置，并在大地图中进行比对和修正，最后根据测绘点数据和大比例尺，确认位置、高程、相对位置、外形和走势等精准信息。

（二）数据采集

对被测区域进行综合考察，选择适当的位置安置扫描仪、标靶等关键测绘点组成，点位的选取应当位于开阔或较高的位置以增加扫描的覆盖范围，并且所有点应当完全覆盖被测区域，且可以对特殊地形地势进行精准测绘（沟壑、断面）。除了关键点位扫描外，还应当设置2-5 个辅助标靶，通过对不同标靶的扫描集中采集的数据，以便进行同位数据综合辨识，以测绘中心位置的数据为核心。同时配备全站仪、GPS 定位装置、RTK 等对测绘中心和标靶的地理空间位置进行标注，以获取三维坐标的基础点位。

（三）数据处理

点云校准是数据处理的基础，应当对较大的区域进行分化，单独的区域测绘站数量控制在5-15 个，对分块数据进行拼接和坐标校正，中心板块应当选择较为开阔的测绘点，以中心位置为基础逐一完成拼接工作和校正处理，单一区域在拼接时应当依据上一板块的数据进行坐标调整，拼接点应当≥4个，差值控制在2cm 内，可选择ICP 等算法强化拼接效果，在超大区域的拼接中，中心点位应当选择多个，降低坐标误差。

（四）模型生成

地面三维激光扫描时为获得详细的地面信息，一般扫描密度较大，相对地形测绘来讲其点位太密，且分布不均匀。直接利用扫描点来构三角网追踪等值线，由于其细节信息过多，会导致等高线紊乱。因此一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行抽稀。最后将数据导入到大比例尺数字测图软件中，自动生成等高线。将成型的带等高线地图进行叠加，并去除地物生成下的多余边缘，对缺失部分进行修复，结合点云数据手动修复至图像光滑顺畅，对图像中的高程、轮廓、局部纹理等进行修饰，最终生成完整的测绘三维模型。

四、总结

三维激光扫描技术的出现，为当前地理测绘工作带来了优势辅助，通过当前的应用实践可以看出，三维激光扫描技术能够有效弥补地理测绘中的不足之处，并且在节约资源消耗、减少工作量、降低工作失误等方面有着明显效果。随着地理测绘工作的不断开展，工作的内容和要求必然会发生变化，因此未来将如何根据实际需求不断完善三维激光扫描技术将会是一个长久的课题。