三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用*

张 靖，张爱能，刘国栋

(1.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安710064;2.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆400074)

0 引 言

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS 空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。其突破了传统单点测量方法，通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。三维激光扫描仪技术广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域，具有不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征等优点［1-5］。

常用的地形图测量方法有全站仪数字化测图、GPS-RTK 测图、数字摄影测量等方法。但这些方法外业工作量大，且在地形险峻，人难以到达的地方往往显得无能为力。从三维激光扫描仪的测量原理和扫描过程可知，三维激光扫描以格网扫描方式，高精度、高密度、高速度和免棱镜地测量地表点，能详细了解地面点的细节变形和整体变化，同时三维激光扫描技术制作的地形图精度优于传统方法，且可大大缩短外业工作时间，将大部分时间转为在软件中对扫描数据的内业处理［6-8］。基于三维激光扫描的地形测绘成图技术的应用，改变了传统测绘的作业流程，使相关外业测绘流程大大简化，外业工作时间大大缩短，外业人员的劳动强度大大降低，内业处理的自动化程度也显著提高。因此将三维激光扫描技术引入到地形测量中是具有重要意义的。

文中主要介绍了三维激光扫描仪在地形测量中的应用。首先对实验采用的仪器、测区概况、控制网布设及扫描仪扫描方法做了简要的介绍。然后介绍了将基于扫描仪坐标系统的点云数据转换到基于施工独立坐标系统的过程，探讨了将平面坐标和高程分开转换的方法，将转换后的点云数据导入到Geomagic 中进行重采用，同时进行数据格式转换，方便cass 绘制等高线。通过全站仪测量一定数量检核点来验证三维激光扫描仪精度。

1 数据采集

本次实验使用徕卡ScanStation2 三维激光扫描仪扫描地形，使用尼康DTM -332C 全站仪布设控制网，其测角精度为3″，测距精度为±3 mm +2 ppm.测区位于西安市灞桥区白鹿塬北坡，扫描区域的地形起伏较小，结构较复杂，人流量相对较小，地形表面的杂草和植被较少。

1.1 控制网布设

在测区内布设独立工程控制网，K4点为已知点，平面坐标值设为1 000，1 000 m，高程值为500 m.在测区内布设控制点如图1，通过全站仪测角、测边，求得控制点的坐标，使用全站仪三角高程测量获取控制点高程。

1.2 测区三维扫描

图1 控制点空间分布图Fig.1 Control point spatial distribution

将扫描仪安置在控制点K1上，在测区合适位置安置3 个不在同一直线上的蓝白标靶，将其中一个蓝白标靶安置在控制点k5上。连接扫描仪和电源，打开电源开关让仪器进行自检;设置笔记本与扫描仪之间的通讯，启动配套的Cyclone 软件并建立数据库与工程文件，连接扫描仪并通过设置角度范围对扫描区域进行拍照。设置好参数后进行扫描，找到控制点上标靶大致位置，对标靶进行精细扫描。然后将扫描仪架设到k3上，采用相同方法依次扫描。依次进行，直到所有扫描完成。

2 数据处理

2.1 点云数据拼接

点云拼接是多个测站点云数据的整合，是基于扫描仪不同坐标系统转化统一的过程。点云拼接方法有:基于连接点的拼接;基于标靶的拼接;基于控制点的拼接。本实验采用基于公共标靶的拼接，拼接后点云数据如图2 所示。

图2 测区点云拼接后数据Fig.2 Splicing point cloud data

2.2 点云数据预处理

点云数据预处理过程包括:点云去噪和平滑，点云抽稀压缩，点云空洞修补等。这些过程都可以通过Cyclone 和Geomagic 软件完成。

3 地形图绘制

3.1 坐标转换

图3 基于扫描仪平面坐标与施工独立平面坐标关系Fig.3 Relationship between scanner coordinate and construction coordinate

由于获取的点云数据平面坐标和高程是基于扫描仪坐标系统的，而地形图采用的则是独立工程测量坐标系，因此在用点云数据绘制地形图前需要进行平面坐标转换和高程转换。将基于三维扫描仪点云数据坐标系转换到独立工程测量坐标系中。

3.1.1 平面坐标转换

建立基于扫描仪平面坐标系O-X1Y1，基于工程测量坐标系O-X2Y2，两个坐标系关系如图3 所示。采用四参数模型进行平面坐标转换，包括平移参数:X0，Y0，旋转参数:a，尺度变化:μ［9］.

对于任意一点Pi在两个坐标系中坐标分别为(X1，Y1)，(X2，Y2)，存在如下关系

为求出式1 中平移、旋转和尺度变化参数，至少需要2 个已知平面点，，如多于两个可采用最小二乘法拟合求解。文中已知k3，k4，k5等3 点在两坐标系中坐标，见表1.

表1 已知点在不同坐标系平面坐标值Tab.1 Known point in different coordinates plane coordinates

采用最小二乘法，通过已知点平面坐标值求解转换参数，然后将点云基于扫描仪平面坐标值全部转到基于工程测量坐标系中，完成坐标转换。

图4 高程关系Fig.4 Elevation relationship

3.1.2 高程转换

扫描仪获取点云数据中，其高程值起算面是基于扫描仪系统的，把这种高程值记为H点云;通过全站仪获取的控制点高程值其起算是假定的水准面，在小范围内可以把其当成平面，把这种高程记为H水准［10-13］。这2 种高程值关系如图4 所示。根据图可知 H水准=H点云+N.

表2 高程值Tab.2 Elevation value

采用平面拟合法求取任意点云高程差值N.假设任意点云高程差值N 与该点平面坐标，有

其中 a，b，c 为模型参数。为求出公式2 中的模型参数，至少需要3 个已知公共高程点。文中已知k3，k4，k5，3 点在两高程系统高程值，见表2.

将3 个公共点高程值数据代入公式2 中，求解模型参数。最后将点云数据高程值转为基于假定水准面的高程值。

3.2 等高线生成

点云数据生成等高线流程如图5 所示。

图5 等高线生成流程图Fig.5 Contour generated flowchart

3.2.1 点云采样

由于点云数据量大，本次实验采集的点云数据约为14 万个，如果直接导入到cass 中肯定不利于坐标数据生成等高线，需对点云数据进行采样，在Geomagic 中，点云采样方法有:曲率采样、等距采样、统一采样和随机采样。本次实验采样曲率采样，即设定某一百分比值，软件按照最小二乘法计算某曲面上的曲率，依次类推计算出所有的曲率，然后依照曲率大小划分的区间对点云进行精简删除，得到设定的百分比与点云数值乘积的点值。采样后点云数据约为1.4 万个。

3.2.2 等高线绘制

将采样后的点云数据导入到cass 中，建立DTM 模型，设置等高距，cass 软件自动生成等高线如图6 所示。

图6 等高线Fig.6 The contour lines

4 精度验证

本次实验在测区内均匀布设了8 个检核点，扫描时在检核点上安置蓝白标靶。通过全站仪获取的这8 个检核点的平面坐标和高程与检核点点云转换后坐标数据进行比较来验证地形图的可靠性。表3 给出了两者比较的结果。

从表3 可以看出，三维激光扫描仪获取的检核点平面坐标与全站仪获取点的平面坐标的差值的绝对值最小为0.005 m，最大值为0.024 m，平均值为0.012 m，高程差值绝对值最小值为0.006 m，最大值为0.029 m.平均值为0.018 m.扫描仪转换后的数据误差主要包括控制测量误差，扫描仪系统误差，坐标转换误差。比较结果说明，三维激光扫描仪的精度满足地形图测量需要。

表3 全站仪测量检核点坐标与激光扫描仪获取点坐标比较Tab.3 Comparison of the check points’coordinates measured by total station and scanner

5 结 论

通过实验，将三维激光扫描仪用于地形测量，实验结果表明三维激光扫描仪的精度满足地形图测量需要。三维激光扫描是一种具有高精度、高密度、高速度、非接触的扫描手段，在地形测量中，特别是在地形险峻、人难以到达的地方有着较大的优势。

References

［1］ 刘昌军，赵雨，叶长锋，等.基于三维激光扫描技术的矿山地形快速测量的关键技术研究［J］.测绘通报，2012(6):43 -46.LIU Chang-jun，ZHAO Yu，YE Chang-feng，et al. Study of the key technologies for mine rapid topographic survey based on 3D laser measurement［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2012(6):43 -46.

［2］ 彭维吉，李孝雁，黄 飒.基于地面三维激光扫描技术的快速地形图测绘［J］. 测绘通报，2013(3):70 -72.PENG Wei-ji，LI Xiao-yan，HUANG Sa. Rapid topographic mapping using terrain 3D laser scanning technique［J］. Bulletin of Surveying and Mapping，2013(3):70 -72.

［3］ 李 亮，吴 侃，刘 虎，等.地面三维激光扫描地形测量数据粗差剔除算法及实现［J］.测绘科学，2010，35(3):187 -189.LI Liang，WU Kan，LIU Hu，et al. Gross error elimination of terrain survey data obtained by terrestrial 3D laser scanning system［J］.Science of Surveying and Mapping，2010，35(3):187 -189.

［4］ 何秉顺，赵进勇，王 力，等.三维激光扫描技术在堰塞湖地形快速测量中的应用［J］. 防灾减灾工程学报，2008(3):394 -398.HE Bing-shun，ZHAO Jin-yong，WANG Li，et al.Application of 3D LIDAR in landslide lake topographic measurement［J］.Journal of Disaster Prevention and Mitigation，2008(3):394 -398.

［5］ 吕宝雄，巨天力.三维激光扫描技术在水电大比例尺地形测量中的应用研究［J］. 西北水电，2011(1):14-16.LV Bao-xiong，JU Tian-li.Study on application of 3D laser scanning technology in hydropower large scale topographical survey［J］. Northwest Hydropower，2011(1):14 -16.

［6］ 陈 静，李清泉，李必军.激光扫描测量系统的应用研究［J］.测绘工程，2001，10(1):49 -52.CHEN Jing，LI Qing-quan，LI Bi-jun. Application research on laser-scanning surveying system［J］. Engineering of Surveying and Mapping，2001，10(1):49 -52.

［7］ 梅文胜，周燕芳，周 俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘［J］.测绘通报，2010(1):53 -56.MEI Wen-sheng，ZHOU Yan-fang，ZHOU Jun.Fine topographic mapping based on ground three-dimensional laser scanning［J］. Bulletin of Surveying and Mapping，2010(1):53 -56.

［8］ 曹 玺，梁 俊，王延洪，等.三维激光扫描技术在地形测绘成图中的应用［J］. 人民长江，2011，42(21):22 -24.CAO Xi，LIANG Jun，WANG Yan-hong，et al. Application of 3D LIDAR in terrain surveying and mapping［J］.Yangtze Rive，2011，42(21):22 -24.

［9］ 宗刚军，姚顽强.工程测量中新旧坐标转换的一种实现方法［J］.西安科技大学学报，2007，27(3):401 -404.ZONG Gang-jun，YAO Wan-qiang. Implementing of coordinate transfering between two survey system in engineering survey［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(3):401 -404.

［10］刘万林，郭 岚，王 利.多面函数法与移动法的加权综合模型在GPS 水准中的应用［J］.西安科技大学学报，2004，24(3):310 -312.LIU Wan-lin，GUO Lan，WANG Li.Application of combining multisurface function andmovement method in GPS leveling［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2004，24(3):310 -312.

［11］马素文.三维激光扫描在测量中的应用现状［J］. 山西建筑，2011，37(9):207 -208.MA Su-wen. Application status of 3D laser scanner in the measurement［J］. Shanxi Architecture，2011，37(9):207 -208.

［12］张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望［J］.北京测绘，2011(1):39 -42.ZHANG Qi-fu，SUN Xian-shen.Measuring principle and developmental prospect of 3D laser scanner［J］.Beijing Surveying and Mapping，2011(1):39 -42.

［13］吴 侃，黄承亮，陈冉丽.三维激光扫描技术在建筑物变形监测的应用［J］.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2011，30(2):205 -208.WU Kan，HUANG Cheng-liang，CIHEN Ran-li.Application of 3D laser scanning technology in monitoring building deformation［J］.Journal of Liaoning Technical University:Natural Science Edition，2011，30(2):205 -208.