三维激光点云技术在1:500地形图成图中的应用分析

郎荣庆， 黄仟艳

（1. 广西壮族自治区自然资源调查监测院；2. 广西壮族自治区自然资源档案博物馆）

1 引言

在全球变化不断加剧、智慧城市不断发展的当今时代，绘制地形图对地球科学研究起到了重要作用。传统地形图成图过程中往往存在一定不足，如易受天气影响、测绘效率不理想等情况时常存在，无形中为地形图成图工作造成了阻碍。但将三维激光点云技术应用于地形图成图工作后，传统地形图成图工作中的弊端都能得到相应避免，三维激光点云数据能更精准地获取地面物体高度，并在此基础上依托于高度计算出坡度、坡向、点密度等各方面内容，为地形图成图工作提供了更多便利。

2 三维激光点云技术概述

三维激光点云技术已具备一定历史，在二十世纪九十年中期即已出现，是激光应用领域中的一项重要技术，被誉为“继GPS技术后测绘工作的第二次技术革命”，也享有“三维实景复制技术”的美称。在传统的地形图测量工作中，测绘人员一般采取全站仪数字化测图技术、GPS-RTK测图技术、数字摄影测量等各类技术[1]。但此类技术涉及大量外业工作，且受地形与作业人员影响较大。一旦测区地势险峻，各类技术都难以应用。但三维激光点云技术能有效避免此类问题，三维激光扫描仪不仅精度更高，速度也更快，且主动性更强，全程数字化处理。种种优势使得三维激光点云技术在地形图成图工作中日渐为人所重视，也得到了日渐广泛地应用。在使用此项技术时，三维激光扫描仪能对局部区域实施精细化地形图测绘工作，利用三维激光扫描采集数据能改变传统地形图测绘的工作方式，减轻外业测绘的工作量，简化其工作流程，减少外业工作时间与劳动强度，同时提升内业数据处理自动化程度，使传统地形图成图时缺乏规范性的问题得到有效弥补[2]。

3 三维激光点云外业采集

外业采集需要先对测区基本情况进行踏勘，掌握测区地形情况与交通情况，并对各方面情况进行综合考量，依照考量结果制定航飞扫描路线与时间，使扫描设备免于高负荷持续运行。在此情况下，三维激光点云技术能得到高效且经济地使用，为后续成图工作奠定良好基础。测绘人员完成前期考量工作后，需要布设各个控制点，在此环节中需要先测量图根控制点坐标，再使用三维激光扫描仪对测区整体进行扫描。布设控制点需要尽量使各个测站都能扫描到整体测区的点云数据[3]。

4 三维激光点云数据处理

4.1 重采样

使用三维激光对数据进行扫描具备一定优势，如采集速度快、采样频率高等。但此类优势也为整体工作带来了相应的不足，如云数据冗余度也相对较高。为解决此问题，测绘人员需要做好点云数据重采样工作。在重采样工作中，常用的采样方式有四类，即曲率采样、栅格采样、统一采样、随机采样。测绘人员需要依照测绘需求选择恰当的采样方式，通过重采样的方法使三维激光点云数据更为精简，提升后续使用效率[4]。

4.2 去噪

当三维激光点云数据进行采集工作时，测区环境往往相对复杂，测区同时存在施工区域的情况也较为常见。在此情况下，施工设备运转与施工人员走动等都影响点云数据稳定性，且测区内的树木与建筑物等也使点云数据出现不稳定性与噪点。此类噪点对后续成图工作造成不利影响，因此需要以人机交互的方法完成去噪工作[5]。

4.3 拼接

点云数据拼接工作需要将不同站点扫描出的各项点云数据拼接到一处，使其存在于统一的坐标系中，此环节涉及的数据是不同站扫描的测绘项目整体数据。各站在扫描的同时虽也能对数据进行初始拼接，但测区自身范围较广，需要依托于各个航带完成数据采集工作，不同扫描航带上的站点间隔距离较长，扫描经过的时间也相对较长，系统在此情况下难以进行自动拼接，仍需要测绘人员对各个扫描航线上采集的点云数据进行手动拼接。在手动拼接数据的同时，测绘人员也需要检查两个相邻站点之间的自动拼接情况，明确其中的误差，针对误差较大的点云数据则需要及时调整[6]。

4.4 着色

在三维激光点云数据采集时，激光点云对自身扫描的测区反应能力相对有限，测绘人员需要在后期将测区内所采集的点云数据与影像数据进行精确配准，以此提升点云数据的高精度，使其具备更为精准的三维坐标信息，同时丰富点云数据的光谱信息。

5 三维激光点云数据成图

由三维模式显示可知，点云数据能清晰反映测区地表情况，明确测区内地势高低起伏的状态。点云显示模式也具备一定的多样性，如真彩色模式、二值模式、强度模式等，各类模式都能与影像数据同步匹配，为测区各方面数据提供有力保障。当处于真彩色渲染模式时，点云数据能反映出测区地物的基本情况，测区内植被覆盖度相对较低时，部分地物可直接在真彩色渲染模式下完成采集。但在需要采集房屋等具备一定高度的地物时，使用高程渲染模式更为理想[7]。

在使用三维立体模式时，测绘人员需要依照地形图的成图需求采集测区地形数据。此过程可先由采集线状地物入手，如采集测区内河流与道路等数据。此类地物相较于测区内周围地物更为明显，采集工作也更为容易。在采集地表植被覆盖率过大的区域时，测绘人员则需要对点云数据实施滤波处理，使地面点云能得到有效提取，以此降低植被对采集工作造成的干扰。在采集数据的过程中，认定地表植被是一项相对困难的工作，为做好此项工作，内业需要先划定地类边界线，再由外业对具体地类实施巡视确认。而在采集高于地表的数据如建筑物、管线等地物时，点云技术则具备一定优势。真彩色模式在反映管线等地物的过程中可能存在不足，如管线等地物相对较细，不易采集，则可使用高程渲染模式，使与地表存在高度差的地物都能得到清晰反映，管线等地物的采集工作也能更为容易[8]。

当测区内存在地形地貌时，最为直观的展示途径是等高线，测绘人员可先对三维激光点云数据实施滤波，使其生成地面点，再利用地面点数据生成高程点，构建DEM模型，最终生成等高线[9]。

三维激光点云数据所采集的地物为全要素地物，因此植被覆盖度较高的区域也需要采集数据，但此区域仅使用激光点云采集数据则易出现地物不完整的问题。为避免此类问题，可先依照点云绘制出地形图，再将地形图输出为纸质图纸，对照图纸对测区进行实地巡查，并做好调绘工作，找出由于植被遮挡而出现的漏采集或错采集等区域，再利用RTK与全站仪完成补测工作[10]。

6 精度分析

为保障三维激光点云绘图具备更高的平面精度与高程精度，测绘人员可在精度分析阶段选取多个检核点进行精度分析，在分析过程中需要对此类检核点实施外业RTK打点，以明确其实际三维坐标，并将实际三维坐标与内业点云采集的三维坐标进行对比，找出不同地物的平面中误差与高程中误差。本文选取了广西壮族自治区测绘案例，进行成图精度分析（见表1）。

表1 测绘案例成图精度统计表

在精度分析过程中，测绘人员发现道路与街巷两侧的明显建筑物拐点等一类地物存在平面中误差约为0.019m，高程中误差约为0.020m。以施测困难的建筑物拐点为主的二类地物平面中误差约为0.047m，高程中误差约为0.035m。而三类地物和其他地物点的平面中误差约为0.095m，高程中误差约为0.037m。由数据不难看出，平面中误差的一类地物点与二类地物点精度相对较高，对此进行分析可知，主要由于此类地物点属于建筑物拐点，在采集建筑物四个面的完整点云数据过程中也需要同时对此类区域实施不同角度的数据采集工作，因此点云密度与其他区域相比更高，内业数据采集精度也相对较高。但三类地物在采集数据的过程中则易受植被覆盖情况影响，内业数据采集精度相对较低。对整体数据采集情况进行综合考量后可知，误差都能满足1：500地形图的采集要求[11]。

7 结语

综上所述，三维激光点云技术能满足绘制1：500地形图的精度要求，但从实际应用情况来看，仍存在一定阻碍。如机载雷达在对建筑物点云数据进行采集时，易存在密度不够的情况，需要经过多次不同角度的采集才能有效扫描建筑物不同角度的地形特点，此类重复性工作无形中降低了工作效率。此外在采集植被覆盖度相对较高的区域时，植被可能严重遮挡地物，仅凭三维激光点云技术对地物情况进行采集可能无法得到理想结果，仍需要外业进一步完成采集。由此可见，在使用三维激光点云技术采集测区数据时，做好航线规划尤为重要。合理规划航线能提升外业所采集数据的完整性，使测区内建筑物信息得到更为精准地反映。此外，三维激光点云数据处理过程对于内业成图精度的影响也比较大，需要反复对比分析才能达到最佳精度效果。