基于三维激光扫描技术的城市大比例尺数字测图研究

基于三维激光扫描技术的城市大比例尺数字测图研究

李文鹏杨益军李天兰

昆明理工金图科技有限公司云南省昆明市650031

摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，三维激光扫描技术以其快速、非接触性、高密度、高精度等特点在测绘作业中得到广泛应用，论文简述了城市大比例尺测图现状，探讨了三维激光扫描技术应用于城市大比例尺地形图测绘作业中的方法及步骤，总结了作业过程中的关键注意事项，通过试验证实了三维激光扫描技术应用于城市大比例尺测图中的可行性。

关键词：三维激光扫描技术；大比例尺地形图测绘；点云配准；矢量化

引言

大比例尺数字地形图，是生产建设的至关重要的基础资料。在地形图测绘中经常遇到一些局部小区域环境恶劣、地势险峻，测量人员难以到达，而采用航空摄影测量、遥感等方法测图成本偏高。地面三维激光扫描技术的日趋成熟，为这些特殊区域的数字测图提供了新的思路。地面三维激光扫描技术是一种新型的空间信息数据获取手段，其拥有很高的数据采样率以及非接触测量等特点。目前已经在工程测量、变形监测、古文物保护、城市三维建模等领域已经的到了广泛的应用并取得了较好的效果。而地面三维激光扫描技术在大比例尺数字测图中的应用，还没有很完善的测绘方法和规范，还需进一步的研究。

1当前城市大比例尺测图现状

1.1全站仪测图

全站仪测图是目前比较成熟且大量运用在工程领域的一种地形图测绘方法，全站仪本身是集测距和测角为一体的测绘仪器，通过对角度的和距离的量测解算出待测点的坐标。全站仪测图要求测站与待测点之间通视良好，因此比较适合小区域内的地形测量。全站仪测图所采集的坐标前出现有免棱镜式的漫反射全站仪，需要测量人员依次立点，比较耗费人力但其精度普遍不高，因此若在一些危险地区，测量工作人员难以到达，依旧是一项挑战。

1.2GPS-RTK测图

RTK定位技术是基于载波相位观测值为根据的实时差分GPS定位技术，是一种实时动态测量。由一台固定在已知坐标的基准点上的GPS接收机，和一台运动中的接收机对GPS卫星进行同步观测。RTK在工作时，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站首先通过数据链接收基准站的数据，然后采集GPS的观测数据，通过给定相应的坐标系统参数和投影带参数，在系统内组成差分观测值进行实时处理，实时得到移动站的三维坐标及精度因子。

1.3数字摄影测量

数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，综合利用计算机技术、数字影像处理、模式识别、影像匹配等多个学科的理论与方法，提取所摄对象的三维数据信息。利用数字摄影测量的方法获取三维地形数据的技术已经相对成熟，并且在大比例尺地形图获取上应用也较为广泛，而且我国在该技术领域的研究处于领先地位。数字摄影测量在实际数据获取过程中，受地面不光滑变化的影响，在采集的时候会产生断裂线区间。对于植被茂密、树林覆盖地区，数字摄影测量采集时无法直接获取地面数据，此时的数据对植被覆盖区的实际地面趋势反应效果较差，这时需要在这些地区采集散点方式进行测量，以达到精度要求，并且反映真实的地形走势。在必要时，特殊区域还需进行野外补测，来达到所需精度。

1.4地面三维激光扫描系统

地面三维激光扫描系统主要指固定式的三维激光扫描仪，其原理类似全站仪可通过仪器发射激光经过物体返回得到大量的三维坐标。其具体作业流程数据采集(拍照、扫描)，数据处理(拼接、去噪、抽稀、建模)，获取地形数据。三维激光扫描与传统测量相比优点在于:①与传统逐个获取数据的手段相比，三维激光扫描仪可以短时间获取海量数据，不但能够获取更精细的地形数据，而且大大节省了数据采集的时间。②三维激光扫描仪采用非接触式智能扫描系统，可以实现自动化扫描，并且无需反射棱镜，对于一些较为危险、测量人员难以到达的地区尤为适用。③与GPS-RTK相比，不受卫星信号及基站信号的影响。与传统测量相比，在平面精度上都能达到毫米级，但在高程精度上略低。另外在树木较多的地区，由于遮盖严重，数据处理较为麻烦，且不能保证精度。

2三维激光扫描测量作业方法

2.1测区踏勘

首先要对测区进行实地踏勘，了解整个测区的概况，初步划分扫描作业区域，同时收集测区内已有的地形图、控制点等成果资料，另外，在测区内寻找可利用的外接电源，以便为扫描仪提供外接电源。

2.2控制点布设

要在测区的有效观测范围内布设足够数量的控制点，各控制点间要保证至少与一个点通视，各点间的距离大致相等，以间距150～200m为宜，控制点应选择在利于安置仪器且不易受外界环境影响的地方。将GPS定位和三维激光扫描仪测量结合起来，可将三维激光扫描成果转换到局部坐标系中。布设控制点的目的就是利用其实现将点云数据的扫描坐标系到绝对坐标的转换。控制点布设方法有GNSSRTK法及全站仪导线法，控制点的精度决定了点云数据转换到绝对坐标系的精度。

2.3点云采集

在控制点附近选择适当位置设站采集点云数据。扫描站点必须选择在平坦、稳定的地方，严禁在路上的非固定石板、石块、杂草丛生或者土质松软处安置仪器，在保证精度的情况下，每个扫描站点应能最大限度地扫描目标场景，并且尽量保证每个扫描站点上无被遮挡区域，受周围人员、车辆等影响较小。根据测量要求和实际情况，在测区内布设标靶。标靶应布设在不同扫描区域内的重叠区内，至少要布设3个以上的标靶，各个标靶不能布设在一条直线上，标靶的高度尽量与设站高度相当。设站点与目标点距离不宜大于150m，为了满足各站点云数据拼接的需要，相邻两站之间至少要保证4个同名点，为了使标靶在点云上判读起来更清晰，要控制在距离设站点30m以内。在扫描站点上安置好仪器并设置好扫描分辨率等参数开始扫描，当使用标靶进行点云配准时，应对标靶进行高分辨率扫描，以确保靶心坐标的提取精度。扫描过程中应尽可能避免人员走动，以减少仪器震动引起的扫描异常。每站扫描结束后，应现场检查数据，判断是否有遗漏和重复扫描区域，检查标靶的空间采样率是否符合要求等。在控制点上架设全站仪实测标靶坐标。标靶定位的准确性会直接影响到点云配准的精度及后续的数据处理精度。

2.4点云处理

点云处理是三维激光扫描作业的重点，虽然地面三维激光扫描作业获取数据速度非常快，但因其数据量巨大，数据处理需要花费大量时间，一般每种扫描仪都配备专用点云数据处理软件。点云处理主要分为点云降噪、点云拼接、坐标转换、点云化简及三维建模等工作。原始点云数据中包含大量的噪声，噪声来源多种多样，如非被测目标物点、周围震动引进的扫描异常点等，可通过人工选择删除及软件自动去除两种方式消除噪声。由于每一站所获得的点云数据坐标均处于以当前扫描站为基准的扫描坐标系下，为了得到整个区域的完整点云数据，必须将每站的点云数据转换到同一坐标系下，可通过标靶定位来实现点云拼接及坐标转换。

结语

三维激光扫描技术应用于城市大比例尺测图中，具有传统测绘方法无可比拟的技术优势。经实际验证，采用基于控制点的单站配准方法进行多站点云配准的地面三维激光扫描测绘技术是城市大比例尺地形图测绘作业时比较可靠实用的作业模式。三维激光扫描测绘作业克服了传统测绘方法单点测量、速度慢等缺点，极大地减少了外业测绘的难度及工作量，采集的三维坐标准确可靠，采集数据信息丰富，能够极大地提高测绘作业效率，地面三维激光扫描技术的出现为空间信息获取提供了新的手段，应用前景广阔。

参考文献

[1]朱磊,王健,毕京学.三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].北京测绘,2014(5):78.

[2]张会霞,朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京:电子工业出版社,2012(12):23.