三维激光移动测量技术在地形测量中的应用

张新盈

【摘要】传统地形测量方法工作量大、效率低、数据采集量大、精度要求高、技术人员投入多、时间周期紧、成本高，快速高效的地形测量方法急需运用到实际的地形测量工作当中。三维激光移动测量系统可以以多种方式快速高效的采集外业数据，并通过后处理方式获取地物真实的三维数据信息，能够明显提高地形测量工作的效率和精度。本文基于青宁输气管道工程项目，结合地形测量工作的具体要求，系统的阐述了采用三维激光移动测量系统进行地形测量的整个流程，探讨了其中的部分关键技术。

【关键词】三维激光移动测量系统  地形测量  精度

一、地形测量测绘技术现状

地形测量在先阶段采用的技术手段主要有以下几种：

（一）全站仪测图法

使用全站仪进行测图包括以下几个步骤：数据采集、数据处理、图形编辑以及图形输出。数据采集可获取地形图绘制所需要的实体属性信息以及空间位置信息。

该方法作业流程简单、采用的设备成本较低而且数据精度高，方便进行内外业一体化作业，在进行地形图测绘时，可以同时进行地形测量和控制测量，该方法作业流程简单、采用的设备成本较低而且数据精度高，方便进行内外业一体化作业，在进行地形图测绘时，可以同时进行地形测量和控制测量。传输设备、绘图仪、计算机的连接构成一体式的测绘系统极大的提升了地形图测绘的测绘质量及工作效率但是工作效率非常低、而且比较容易受到环境等因素的影响（如两点间需要通视，部分复杂地区需要连续搬站）。但是工作效率非常低、而且比较容易受到环境等因素的影响（如两点间需要通视，部分复杂地区需要连续搬站）。

（二）RTK实时动态定位技术

RTK具有实时、动态、快速等特点，测量过程的实时动态显示使得工作过程较为透明、直观;外业作业时间短;作业时间不受限制;自动化水平高;大大降低了外业测绘人员的工作强度，测图所需的控制点数目较传统测图减少许多，"先控制测量、后碎部测图”的测量方式得以改变，只需一个人采集数据，并将其导入相关软件中，可编辑各种比例尺的地形圖，减少劳动人数，提升测图效率。但作业效率仍然很低，工作量大，难以满足工期任务要求。

（三）近景摄影测量

近景摄影测量的典型特点不接触被量测对象、快速、实时地测定大量点，可以在线和实时处理数据一瞬间记录下物体的形状、大小、几何位置、变形等特征数据，自动化程度高。但容易受到环境因素的影响，作业范围小。

二、三维激光移动测量系统组成

三维激光移动测量系统有激光扫描仪、惯性导航系统、时间同步模块、GNSS天线、单反相机（机载模式）、全景相机（车载模式组成）。激光扫描仪获取目标地物的空间信息数据有快速均匀高质量的特点;GNSS天线获取地物高精度定位信息和时间信息;惯性导航系统可以获取获取数据瞬间的三维位置信息、速度信息、姿态信息，为提高定位精度常与GNSS天线组成组合导航系统;单反相机和全景相机实在不同模式下获取地物的纹理色彩信息;时间同步模块是将GNSS天线获取的时间信息同步给激光扫描仪、惯性导航系统和相机，保持系统各个部件单元时间的一致性。

三、三维激光移动测量系统的优势

三维激光移动测量系统可以搭载不同平台快速获取地表地物的三维空间信息运行成本低、自动化程度高，提高了工作效率，减少人工外业测量的危险性。其优点十分明显。

（1）作业系统相对独立：在整个测成图过程中通过该系统及其配套软件便能够完成电子地图的绘制，期间可以不需要任何底图。

（2）成果获取效率高：外业测图工作以正常行车速度可方便完成，内业数据处理软件对数据进行快速的编辑处理。相对传统方式而言，作业效率提高了一个数量级，测制与快速更新导航电子地图的就有了很好地保障。

（3）数据融合度高：能够很好的与传统地形图、卫片、航片等融合主要借助车载移动测量系统及其配套的处理软件处理，获取信息更为全面。

（4）成本低、安全性高：完成数据采集需求人员少，降低了作业成本。而且外业大部分工作通过内业完成，与传统外业工作相比安全、舒适。

四、三维激光移动测量系统的地形测量中应用实例

结合青宁输气管道选线项目利用三维激光移动测量系统进行地形测量。

（一）作业依据

（1）《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T 18314-2009

（2）《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》CH/T 2009-2010

（3）《数字测绘成果质量检查与验收》GB/T 18316-2008

（4）《高程控制测量成果质量检验技术规程》CH/T 1021—2010

（5）《平面控制测量成果质量检验技术规程》CH/T 1022—2010

（6）《机载激光雷达数据处理技术规范》CH/T 8023-2011

（7）《数字航空摄影规范 第2部分：推扫式数字航空摄影》GB/T 27920.2-2012

（二）采用基准

坐标系统：2000国家大地坐标系和1980西安坐标系;

高程系统：1985国家高程基准;

坐标投影：采用高斯—克吕格投影，中央子午线120度，3度分带;

成图比例尺：1：2000。

（三）项目概况与资料收集

测区由北向南横跨536km，沿线以平原和丘陵为主。丘陵主要分布在山东境内，高差变化较缓，江苏境内以平原为主。交通路网发达，便于车辆通行。在谷歌地球上获取，测区高程在14-278米之间，整体高差变化不大，航测难度系数较小。但是整个测区沿线横跨2个军事作战区，2个民用机场，1个军民共用机场。中线距机场最近距离约为3km，以机场为中心，半径30km内空域受机场管制。每驾次起飞前，需征求管制单位意见，得到许可后，方可起飞航测，空域情况非常复杂。单驾次有效飞行时间较少，实际作业中航测难度较大。

已有资料包括甲方提供的测区范围及向国家申请的控制起算数据。

经向国家有关部门申请，获取测区沿线一定数量的C级GPS控制点和四等以上水准点，作为控制数据的起算数据。

（四）控制测量

根据本测区技术设计书的要求，本次D级GPS控制网测量选择中央子午线为120°00′00″，投影面分别为1980西安坐标系参考椭球面和2000国家大地坐标系参考椭球面。起算点共12个，分别为江苏省范围内的3065﹑3073、5063、3252、3253、3167、3249和山东省范围内的GPS54、GPS57、C099、C098、C094。

本次D级GPS控制网测量投入南方S86型双频三星GPS接收机7台套（备用1套）。接收机出厂编号为0297﹑6145﹑0871﹑9725﹑0188﹑6131和3486。经国家光电测距仪检测中心鉴定为合格，在有效期范围内。本次观测以前，该套设备已开展过多个测区的GPS控制测量任务，仪器性能稳定，观测质量良好。

经外业观测及网平差，平差后最弱边相对中误差为1/495136，满足规程要求。

（五）航测作业采集数据

控制点布设完毕后，按照航线设计方案进行数据采集。机载移动测量系统由多个传感器集合而成，系统关联程度大，技术复杂度高，为保证完成高质量数据的采集，通常需要做好如下环节：设备安装与基站架设;偏心矢量测量;确定作业时间;飞行前准备工作;数据采集;补飞或重飞。

（六）数据处理及激光雷达数据处理及3D数据生产如下图1、图2。

五、结论

地形测量作业范围广，地形复杂，条件艰苦，工作量大，精度要求高，传统测量的办法进行地形测量效率较低、需要大量的外业人力投入，成本高、时间长，而且受天气影响极大，外业计划变数大使得整个作业流程受影响，效率地下。三维激光移动测量技术的快速获取地表地物的真实三维数据信息的特性正好弥补了传统作业的不足：效率高，人员投入少，可以广泛运用到各种地形测量工作中。

基于青宁输气管道工程，运用三维激光移动测量系统制作了村落的1：2000比例尺的DEM、DOM、DLG。從三维激光移动测量技术在地形测量中的应用出发，介绍了三维激光移动测量系统的组成、工作原理、外业数据采集、数据处理和3D数据产品生产的全过程。系统的阐述了利用三维激光移动测量系统采集的数据制作3D产品的整个流程。得出的主要结论有以下几点：

（1）结合地形测量的工作规程和技术要求，分析三维激光技术在地形测量中的应用优势：大范围的地形测量项目首选三维激光技术来解决。

（2）研究三维激光移动测量系统的基本流程和关键技术。包括控制网布设、航线规划设计、数据获取、数据质量检查等外业工作，数据预处理、激光雷达数据处理机3D数据生产等内业数据处理工作。

（3）结合具体生产实例，验证三维激光移动测量系统在地形测量中的数据精度精度，总结分析三维激光移动测量系统在地形测量中的作业流程和技术方案，及制作3D产品的注意事项。

（4）提前规划多套飞行方案，制定多套规划航线，根据空域实时情况快速调整飞行方案，有效的提高了外业飞行效率。针对临近冬季，军方飞行活动增加，多套规划航线的制定，从两个方面体现，针对作业时间和天气上，分区域分块制定航线，一旦天气变化及收到禁飞通知，可以实时有效调整方案，切换至有效区域按计划飞行，提高效率。

参考文献：

[1]刘梅姜.倾斜摄影测量技术在福建农村三维地籍与房屋调查工作中的应用[J].沈阳建筑大学学报（社会科学版），2016，18（04）：359-363.

[2]Gerke，M.Dense matching in high resolution oblique airborne images[C].International Archives of Photogrammetry.Remate Sensing and Spatal Information Scince.2009，38，pp.77-82.

[3]王伟，黄雯雯.倾斜摄影技术及其在维城市建模中的应用测绘与空间[J].地理信息，2011，34（3）：181-183.

[4]杨宏健，郑三君.无人机倾斜摄在农村不动产测量中的应用[J].测绘技术装备，2018，20（01）：79-81.