地形测量中三维激光扫描技术的应用

刘阳 王鹏飞

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3457

摘  要：地形测量难度比较大，涉及很多方面的内容，任何一个细节控制不当，都会影响地形测量的准确性。传统测技术存在很多的局限性，且干扰因素比较多，难以为城市规划设计和工程建设提供真实有效的数据地形数据支持。三维激光扫描技术的发明和有效解决了这一问题，既能全方位获得地形数据，也大幅度减轻了地形测量人员的工作效率，契合现代化地形测量的要求，值得大范围推广应用。

关键词：地形测量  三维激光扫描技术  数据采集  特征提取  精度分析

中图分类号：P225.2;TU198   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Application of Three-dimensional Laser Acanning Technology in Topographic Survey

LIU Yang WANG Pengfei

（Hebei Baoding Hebei Jiuhua Exploration and Mapping Co.， Ltd.， Baoding， Hebei Province， 071000 China）

Abstract： Terrain survey is difficult， involving many aspects of content， any of the details of improper control， will affect the accuracy of terrain survey. Traditional surveying technology has many limitations， and the interference factors are more difficult for urban planning and design and engineering construction to provide real and effective data topographic data support. The invention of three-dimensional laser scanning technology solves this problem effectively， not only can obtain the terrain data in all directions， but also greatly reduces the working efficiency of the terrain surveyors， which meets the requirements of modern terrain surveying， it is worth popularizing and applying in a large scale.

Key Words： Terrain measurement; Three-dimensional Laser scanning technology; Data acquisition; Feature extraction; Precision analysis

1三维激光扫描系统的结构组成和工作原理

三维激光扫描系统组成构建多，结构复杂，由数码相机、带能源系统、地面三维激光扫描仪、数据处理软件以及其他附屬设备等共同组成。随着科学技术的发展，很多高新技术和设备被广泛应用到测量系统中，三维激光扫描仪的种类也越来越多，具体而言，按照扫描平台的不同，可细分为机载激光扫描仪、地面激光扫描仪、便携式激光扫描仪等。按照扫描距离的不同，又可细分为短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪、长距离激光扫描仪以及航空激光扫描仪。

三维激光扫描的工作原理是利用三维激光扫描仪内部的激光脉冲发射器向被测目标发射激光脉冲，进行循环扫描，从而得到被测目标到扫描中心的距离，再通过扫描模块的控制，以不同的角度来扫描被测目标，得到被测目标的三维空间坐标数据。

2 三维激光扫描技术在地形测量中的应用要点

2.1案例分析

某地形测量项目，总测量项目面积为16.58 km，在测区范围内，地形地貌起伏比较大，植被茂盛，高楼耸立，最开始决定采用航空摄影方法来进行测量，但由于工期比较近，在作业期间内始终不具备良好气象飞行条件，为避免延误工期，擦去了三维激光扫描技术，测量比例尺为1∶2 000，基本等高距为2.0 m，取得了良好效果，值得类似地形测量中大力推广应用。

2.2保证外业操作质量

在该次地形测量中为降低外业操作的质量，减轻外业测量人员的工作量，采用1台RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪进行外业扫描作业，此种三维激光扫描仪的最远扫描距离为1 400 m，在水平扫描是可进行360°无死角扫描，在垂直扫描时扫描范围也可以达到100°，拥有独特的全波形回波技术和实时数据数字化处理技术，可对被测目标的所有细节信息进行全面扫描，即便是阴雨天、地形地貌复杂的区域，也可以顺利完成扫描任务。数据处理软件采取了RisSCANPRO软件联合南方CASS9.1成图系统同时进行数据处理，大大提升了数据处理速度和准确性。三维激光扫描仪在进行外业扫描中，可看成是一个具有自动观测功能的无棱镜全站仪，在地形测量中可达到“所见即所得”的测量效果。

2.3加强对扫描过程的控制

在該次地形测量中，为获得更加全面的地形数据，在选择三维激光扫描仪架设位置时，要严格遵循“方便保存、方便使用”的原则， 并且要为其他辅助测量手段的开展提供良好的条件，并且周围的视线要尽量开阔，加强现场勘查，选择合适的三维激光扫描仪架设点位，该次地形测量范围比较大，为获得准确的地形数据，三维激光扫描仪架设点位不能少于8个。确定好架设点位后，将三维激光扫描仪运输到架设点位进行架设，对中整平，RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪得到的空间点云数据，是一种以激光发射器为中心得到的自定义空间极坐标系，为提升的测量的准确，保证点云数据能够真实反映实际地形的空间位置，要通过操作手薄将测站坐标和后视点坐标输入系统中，再通过RiSCANPRO软件得到平移参数和旋转参数，得到空间极坐标的“X、Y、Z”坐标数据，通过瞄准后视标靶进行精确定位，然后就可以进行数据预获取，检查后视点坐标和已知坐标的误差是否在允许范围内，如果在允许范围内，才能扫描测量，如果误差过大要及时调整。该次地形测量区域地形地貌起伏变化较大，仅凭RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪难以获得沟谷、桥梁、道路等完整的测区数据，这要求扫描人员在具体扫描，要做好局部精确扫描，并和现场测量人员相互配合，通过标靶对特殊地形区域进行定点补充测量。当一个测站测量完成之后，及时转移到下一个测站按照上述步骤进行测量，完成8个测站全部扫描作业之后，就能得到完整的地形数据，两两相邻的测站，在扫描时重复扫描的范围要控制在30%左右。扫描到的数据，及使用GPS-RTK对一些特殊、重要的点位进行测量记录，作为RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪点云数据精确度验证的参考数据。

2.4数据处理

该测区测量中，采取了RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪，其理论扫描速度为12 000点/秒，因此，会得到大量数据，大大增加了内业工作量，对数据处理软件和硬件的配置，以及数据处理人员的综合技术水平都有很高的要求。为减轻数据处理工作量，提升数据处理的准确性和速度，可从以下几个方面同时入手。

2.4.1 做好数据预处理

外业扫描得到的数据先传输到RiSCANPRO软件中进行预处理，现场录入的测站信息、后视坐标数据等进行复核，并将GPS-RTK实测的特征点导入RiSCANPRO软件中进行对比分析，以保证点云数据匹配的准确性。在具体测量中，不可避免地会受到周围环境变化以及设备自身稳定性的影响，扫描数据中通常含有很多噪点，常见的噪点有裸岩表面点、流动物体点等， 这就需要通过孤点过滤或者是拓扑过滤的方法来去除噪点，以提升数据的使用质量。

2.4.2扫描数据

RiSCANPRO软件在进行RIEGL VZ-1000三维激光扫描数据处理中，扫描数据有多种显示模式，包括二位模式、三维模式、全景视图模式等。需要结合实际需求选择显示模式，三维模式就能清楚看到地形和地物的形状，对特殊位置，如沟壑、河流、道路、车站、学校、医院等，可用不同的符号或者是点和线进行标记，标记清楚后即可导出，导出的格式通常为DXF格式，再结合补充测量的特征数据，就能为地形图的编辑提供数据支持和基础准备。

2.4.3 数据拼接

为保证RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪测量结果的完善性，需要对各个测站得到是扫描数据进行拼接处理，在该次地形测量中，采取了迭代最近点算法拼接方法，能够拟合出相互匹配的起伏曲面，再通过RiSCANPRO软件的补充完善，就能完成各个测区扫描数据的拼接任务。

2.4.4数据过滤

采用RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪得到的点云数据密度非常大，有的点云数据是有用的、有价值的，有的则是毫无价值的，为减轻后期计算工作量，剔除无价值的数据，就需要做好数据过滤工作。主要方法为：按照地形测区的实际情况，采用曲率采样的方法对得到的点云数据进行过滤，在曲率比较大的区域，尽量保留多个点云数据，以便通过点云数据能够真实反映出曲面的特征。而那些比较平缓的区域，则可以尽量多地去除点云数据。在满足地形测量精度的基础上，控制点云数据在78 300个左右即可。

2.4.5 生成地形图

RiSCANPRO软件中导出的DXF格式文件，通过南方CASS软件打开，导入补充测量调整数据和其他标记信息， 再按照测区地形测量的实际需求和相应的技术标准进行编辑，建立起三角网，并绘制等高线，就能生成地形图成果，保存为DWG格式，以便相关单位正常使用。

3三维激光扫描技术的精度分析

三维激光扫描技术属于一种全新的测量技术，对该技术应用的精度评定和制度还不够全面，在案例测区地形测量中，为能够真实直观地反映出生成地形图精度，选择5个测点，用GPS-RTK技术实测来和三维激光扫描技术测量的结果进行对比，从而达到严重三维激光扫描技术应用精度的目的，主要的地形图精度统计表如表1所示。

当监测点数量低于20时，以误差的算术平均值代替中误差，超过20时，按照中误差进行统计。该测区地形图的要求比例尺为1∶2 000，要求地物点平面位置中误差不超过±1.6 m，高程注记点高程中误差不超过±0.67%，从表1中可知，地形图成图的精度满足限差要求。表明三维激光扫描仪在地形测量中的应用效果比较好，精度高，值得大范围推广。

4提升三维激光扫描技术应用效果的方法

在地形测量中应用三维激光扫描技术时，为提升精度和效率，可采取以下方法：

（1）三维激光扫描技术在应用中会受到设备自身测距、测角精度的限制，要随着扫描距离的增加，被测目标的精度也会降低。此时就需要按照不同比例尺的要求，合理调整扫描范围，调整三维激光扫描仪架设的点位。

（2）影响三维激光扫描技术应用精度的因素主要有两个方面，一是对标靶的扫描精度，二是标靶后视点的地面实测精度。所以，在具体应用中，要不断提高标靶坐标精度，同时合理确定标靶目标的大小。

（3）在进行数据处理中，相邻两个测站之间的扫描范围需要严格控制重合范围，控制在30%左右效果最佳，过大则增加外业作业量，过小无法保证测量精度。

5结语

综上所述，地形测量是区域社会经济发展的重中之重，我国不同区域地形地貌起伏变化较大，高楼大厦比较多，大大提升了地形测量的难度。采用三维激光扫描技术，可在短时间内就获得大量真实的三维空间数据，具有扫描速度快、实时性强、主动信号、数字化程度高等优势，值得在地形测量中大力推广应用。

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作者简介：刘阳（1987—），男，本科，工程师，研究方向为测绘地理信息方向。

王鹏飞（1987—），男，本科，工程师，研究方向为测绘地理信息方向。