三维激光扫描在地形测量中的应用

黄鹏HUANG Peng

（贵州遵义水利水电勘测设计研究院，遵义563000）

0 引言

社会经济发展对测绘工作提出了更高的要求。探索使用新型对地探测技术解决地形复杂、植被茂密、人迹罕至的山区测绘难题，发挥快速探测技术优势成为众多测绘工作者面临的新任务。但，传统测量技术的使用仅可以对工程局部点位进行单点测量，且作业效率低、精度上需要反复校正。三维激光雷达技术发展迅速，区别于被动获取信息的光学遥感，是一种新型的主动式遥感技术，其优势主要表现在采集效率高、数据精度高和植被穿透性强三个方面。该技术在山区地质调查、基础测绘、三维建模等方面逐步得到了推广和应用。

1 三维激光扫描技术的应用原理和工作优势

1.1 应用原理

三维激光扫描技术又称三维实景复制技术，该项技术在实际的应用过程中，主要通过使用激光设备有效实现待测目标区域的实景扫描工作。通过扫描得到图像信息，可以获取扫描测量区域范围内各种环境要素控制点位等，还可以收集测量物体表面的光反射强度以及对应的颜色分布信息，生成空间三维点信息，实现对待测区域的空间环境、建筑结构以及环境情况等全面扫描。三维激光扫描设备的应用，主要包含激光测距仪设备、反光棱镜设备以及全新数码相机等组成部分。激光测距仪设备主要使用脉冲式测量工作原理，可以在工作过程中主动发射相应的激光信号，实时接收来自扫描区域范围内物体产生的反射信号信息，以此可以有效实现远距离水平角和竖直角的精确测量工作。通过所获取的测量数据信息，可以准确计算被扫描点和测量原点之间的坐标差。如果测量站点与同一个定向点的坐标为已知参数，则可以准确计算对应扫描点的空间三维坐标情况。

1.2 应用优势

①准确高效性。三维激光扫描系统可以大范围、高分辨率、高精度地采集目标物体的坐标。不同于传统激光扫描仪的标靶拼接，可通过后视定向技术进行点位快速匹配，并能以1200 万点/min 的点速率进行扫描，这大大缩短了外业工作时间，简化了内业数据处理工作流程。②独立性。三维激光扫描系统体积小、重量轻、便于携带；其自身可完成三维点云-面-体的全过程；系统的点密度极高，同时PointStudio 软件也具备自动拼接、后台交会功能，因而设备无须全站仪全程配合。③强固性。三维激光扫描系统结构紧凑，符合IP65 防护等级，即可完全防止粉尘进入，不受任何角度低压喷射的影响，可适应-40～+50℃的温度。④可调节性。适应三脚架、延伸杆、车载、机载多种环境的测量；且可在获取点云数据的同时直接浏览测量结果，外业中可任意定义扫描区域及点云密度。⑤兼容性。三维激光扫描系统PointStudio 等处理软件的数据成果可与Surpac 等第三方矿业软件无缝对接；扫描仪上配备全站仪棱镜或RTK 接口，可与传统仪器进行坐标数据的快速转换。⑥数图同步性。三维激光扫描系统内置工业级线性数码相机，像素达到1.47 亿，影像数据与点云数据同步采集，帮助测量人员在现场进行综合判断、在内业时编录矿岩边界和节理裂隙。⑦主动性。三维激光扫描系统采用主动发射扫描激光的方式进行工作，扫描过程不受扫描环境的时间、空间约束。

2 传统测量方法及难点

2.1 传统测量方法

采用传统测量方法主要任务包括：地上控制测量、联系测量、地下控制测量、地下空间数据获取等。地上控制点可以利用网络实时动态载波相位差分技术（Real-TimeKinematic，RTK）布设控制点，也可以根据现场情况布设导线点。因为山区测量位置是固定的，为了提高控制点的精度，尽量在测区附近布设控制点。高程采用水准仪联测附近已知高程点。联系测量的目的是为测量中的导线提供起算坐标、方位角以及起算高程，通常情况下测区不具备钻竖井的条件。因环境限制无法满足导线布设要求时，可以布设不多于四条边的支导线，最大边长不应超过160m，前视边长不应超过后视边长的两倍。高程控制测量采用几何水准或三角高程。采用全站仪极坐标法测量，对于全站仪无法直接测量的隐蔽角点，使用测距仪或钢尺量取待测点到已测点的距离，利用空间关系计算待测点平面坐标。

2.2 采用传统测量方法的难点

采用传统的测量方法数据精度低，山区采集效率受光线影响大、作业员劳动强度大、现场测量成果不可视、自动化程度较低。本测试项目的地质结构复杂，测量面大、建筑结构密集、地面杂物堆积。为满足山区空间测量要求，依据《城市测量规范》CJJ/T8—2011 的规定：地上应布设三级导线以上精度的平面控制点，同时应布设图根导线或支导线。本项目由于地质复杂，测量难度大，部分转点近且高差大，无法布设图根或图根支导线，所以常规测绘手段无法进行施测。

3 三维激光扫描技术的应用

3.1 前期测绘准备

测绘设备主要包括三维激光扫描仪RIEGL VZ-2000，该仪器能够在阳光直射下扫描最远距离为330m 的物体，每 1mm 的测距精度为 25 处；视场角为 360°×300°；1台全站仪，6 个扫描参考标靶球，以及若干个标靶纸。将所使用的扫描仪的分辨率参数设置为1/4，质量参数为4 倍，对工程进行全景扫描并拍照，在测量任意一站时，测量时间均需控制在12min 左右，由于某些工程处于山谷中，因此，要将扫描工作分为3 段开展，扫描进行过程中，须同时借助全站仪对参考标靶坐标进行测量，并将其作为点云坐标和目标坐标系二者之间转换的依据。对数据拼接进行扫描，完成各坐标的转换以及点云过滤，将所测得数据完整导出，便于后续地形图测绘、土方量计算等测量工作的有序实施。

3.2 外业数据收集工作环节

在三维激光扫描技术的应用过程中，外业数据采集工作阶段收集的数据信息质量高低，直接关影响三维建模工作质量，人流量属于形成影响点的重要因素之一。外业测量工作中，除了使用错峰数据收集方法以外，其中还增加了弹性测量工作机制，在大量工作人员和车辆通过的条件下，通过人为性控制数据信息的采集，可以有效降低扫描仪和建筑物之间的间距，增加了测量点的数量。点云拼接属于数据处理工作阶段的一项重点和难点问题之一。在实际的测量工作中，需要有效保证前后侧梁站之间存在30%的重叠度，保证不同测量点之间具有完整的测量平面，可以在相邻到测量点位上设置中心点测量目标，作为后续拼接参数参考。扫描参数设置和点云质量设计之间存在密切关联，激光点的频率参数设置工作直接关系目标识别距离以及点云拼接之间的准确度。在测量工作当中，通过使用不同的激光测量点评率展开对比试验和分析，确认点评率大小设置为100kHz，扫描分辨率的设计直接关系到扫描数据的总量和扫描时间长短。激光扫描的垂直分辨率大小设置为0.182°，水平方向上的分辨率设置为0.0035°。在地质数据扫描工作中，通过使用数码相机设备同步展开拍照，绘制相应的草图。每一站数据信息扫描工作完成后，需要对点云数据进行全面筛查，对其中存在的漏洞或造点过多的数据进行返工重新测量。

3.3 高精度点云数据获取与处理

通过引入地质工程精度检验的实际案例。在进行数据采集环节中需要做到提前对地形进行勘探作业，在完成相应的地形勘探环节以后，再实行对应的三维激光扫描测绘方案的制定工作。根据现场现况实景来选择符合使用标准的三维激光扫描仪器，对其检测区用扫描仪全方位无死角的立体扫描，在进行扫描环节需要将扫描侧站间距进行相应的控制且小于50m，同时对应的点云密度控制在3cm~6cm 之间，从而达到提高数据完整性以及准确性的目的，确保所采集到的数据信息具备全面性等。特殊扫描：对于特殊区域无法进行第一步扫描的，需要进行针对性的扫描，通常采取补充扫描的形式来开展相应的扫描工作。区域细分：所谓的区域细分，就是致力于高效管理点云合并错误。区域细分工作内容的注意事项，主要就是把控数据的有效性。通常情况下以5~30 个内测点进行相应的位置划分，再完成对应的点云拼接、坐标转换等。具体做法，不用对制图接边相关问题进行考量，因为监测对象是针对地形图。转换测块点云后需要确保转换后的实际坐标符合相应的精度要求。最后一步是采取对应的分析法，检查点云的精度，剔除不合格数据，通过重新选择和变换坐标来提高被测块点云的精度。

3.4 地形图测绘

首先，提取并绘制特征点，提取工作是将路面上存在的特殊物体进行提取，在该过程中，须应用到三维激光扫描技术自身具备的数据处理功能，以人工的方式提取山谷中较高部位的位置，如山壁中心或偏下方，紧接着在收集到的特征点上安装相关的格式完成数据传输，这一环节的目的是将特征点体现在大比例尺数字测绘软件中，通过对软件所呈现的内容进行观察与分析，实现对地物的测绘。其次，生成等高线，完成地物测绘工作时，受山谷中地物以及植被的影响，无法保证测绘结果的准确性，对此，在实际测绘工作开展前，须清除植被、地物的点云数据，开展清除工作时，尽可能做到人工与自动化相结合，以此进一步提高测量数据的精确度，同时，应用平均面迭代法完成数据的去除工作，主要操作流程如下：删除路面上极为明显的非地貌数据，对一些用肉眼无法观察到的数据如小型石子，便须应用到平均面迭代法，计算所有数据的平均面，并删除与该平面相距较远的数据，但需注意的是，不对所有非地貌数据进行删除，只有在对其进行5~6 次迭代后，才可以开展剩余数据删除工作，以保证地貌数据获取的精准性。但在实际测绘中，会存在点位分布不均且点位密度大的问题，严重影响了等高线的整体效果，对此，工程的测绘人员对点云数据进行处理，并采用自动抽稀的方式，使各测绘数据达到地形测绘的要求。紧接着再将相关数据传输至软件中，实现等高线的自动生成。运用扫描技术得到的等高线可以更为直观地将其中内容表现出来，还能够大幅度提升数据等高线位置的精确度与可靠度，同时还能将地形的实际情况准确地反映出来。最后，编辑成图，按照上述操作开展测绘工作时，获得的等高线极易出现局部缺失、不光滑等问题，因此，该工程的测绘人员又进行了编辑成图的处理，原理是叠加等高线测绘图以及地物图形，通过全面观察得出二者存在的差异性与不足。

3.5 倒置扫描关键技术

通过对同一扫描对象进行比较试验，采用正置扫描后采集的点云图，扫描过程移站5 次。采用倒置扫描后采集到的点云图，扫描过程中确定好三脚架倒置的位置，然后将中轴长度调整为1.2m，满足入射角35 的要求。扫描获取点云后，采用新方法进行点云噪点处理，最终得到处理好的点云图。通过试验比较发现，在点云采集阶段，正置扫描需要移站5 次，需要寻找特征对象，耗时45min。倒置扫描仅需扫描1 站，用时4min。相比较可知，正置扫描工作量是倒置扫描的5 倍、耗时11 倍。在点云处理方面，正置扫描需要拼站且点云数据量庞大，通用软件处理耗时约50min，对于噪点处理需要大量的人工处理且效果不理想，最终的点云图与实际结构误差大，而采用倒置扫描软件技术，点云无需拼接，点云量小，处理速度快，自动高效去除噪点，最终的点云图效果较好且与实际结构误差小。采用倒置扫描技术处理后的点云效果较好，为后续计算奠定较好的基础。通过研究三维激光倒置扫描硬件、软件关键技术，较好实现了三维激光准确、快速倒置扫描，试验表明采集点云数据质量较高，可自动高效去除噪点，极大地降低了现场工作强度，提高了工作效率，促进了三维激光扫描技术的推广应用，为红外技术在数据采集和降噪等方面提供借鉴，具有较好的技术价值和经济意义。

3.6 三维模型建立

三维建模范围为精细单体建模及地面模型，建模内容包括建筑模型、地形模型、交通模型、植被模型、水系模型及其他模型等。其中，地上建筑模型反映维度变化的0.3m的细节需精细表达。为便于后期对测区内模型精细管理，需将建筑模型分层、分户制作，建筑内部走廊、墙体（除墙体外，不含室内其他设施）等进行制作，建筑物及附属设施属性信息需表达完整准确。

室外建模时，在3dsMax 中导入整理好的Dwg 文件、影像图等，在CAD 和影像图的基础上创建建筑模型，其建筑模型位置与CAD 文件保持一致。对模型面数进行控制，能够准确表达建筑物的特征即可，无须将所有细节建模，同时去除多余的面，模型建好后，应删除多余的或没用到的点、线、面，对模型结构与贴图坐标起不到作用的面进行删除以节省数据量。

室内建模时，首先纹理采集，通过现场对室内外环境拍照的方式，采集室内外环境的纹理照片，为后续室内外建模提供素材。室内建模：导入3dsMax 后，首先对墙体进行建模，然后运用画样条线和矩形等操作，采用挤出功能拉伸出合适的长度，进行墙体建模。一些没有实测的内部细物，例如门窗、装饰物等，根据所得尺寸和现场所拍照片进行建模，将建好的附件合并到主体建筑物的模型上。

纹理映射：对于建筑模型的纹理通常要到现场用数码相机获取照片，对照片进行正射纠正处理为正射影像，更改材质，将修改好的图片贴到材质球上面并赋给建筑物，再运用贴图坐标进行修改，尽量做到与实际相同的效果，最后渲染输出效果图。建筑物轮廓及室内墙体建模完成之后，将所有的墙体都移动至正确的位置，然后找到相应的材质附到建筑物主体模型上。并赋予相应的砖墙材质、玻璃材质等，再做相应调整，提高视觉效果，最后得到与实际建筑物一致的模型。纹理映射（贴图），对于需要叠加在物体表面的，例如建筑立面的字或一些招牌广告等，做成片叠加在物体表面，面片与该物体的立面距离至少要达到0.03m，保证重叠面不闪烁，同时在侧面不能看到特别明显的两个面间的距离。

3.7 精确度测绘成果评定

①平面绝对位置平定：采用拟合提取相关特征点的方法，对数据进行分析比较，实现对矿井平面位置对应绝对精度的确定。在特定的操作过程中，需要对相应的点云进行进一步的切片，以确保点云有效，并且需要通过相位匹配来控制相应的切削刃厚度，通常在两厘米以内符合相应的标准，最终获得切片点云进行进邻点云检索，而对应近邻点云检索需要符合特定的地形特征，再通过相应的算法最终获取近邻域拟合地形的综合特征点，再进行分析和计算，对数据进行筛选。将点云中提取到的特征点与地形图测绘中的同名点区域做对比，把误差差值降到最低，实现此项检测精确度的有效工作。②平面相对位置精度评定：利用切片点云从而实现点云中相应的地物其对应的参数对比分析的工作，例如边长对比、点间距对比结合实际地图中的数据进行相应比较，然后通过实景与地图数据的误差进行计算分析，从而实现相应的位置精确度的检测。

4 结束语

与传统测量技术相比，三维激光扫描技术具有高分辨率、高精确度等测量优势，能够高效地完成地形图绘制、土方量计算等测量项目，还可以借助三维软件，针对待测量对象构建三维模型，实现了对传统测量技术的有效补充，可以实现非接触式测量，适用于复杂地形的高精度测量，从根本上提高了工程测量的效率和精度。同时，三维激光扫描技术也在其他很多领域有不同的应用，而且三维激光扫描技术也在不断研发与创新中，必将获得更为广阔的应用前景。