三维激光扫描仪在城市地形测量中的应用

文/吴军 邓云 赣州赣南测绘院 江西 赣州 341000

1 前言

三维激光扫描技术，主要是基于三维激光扫描仪的应用，实际上是一种全自动高精度立体扫描技术手段，即实景复制技术。它采用非接触主动测量方式获得高精度三维信息数据，可24小时不间断地对目标对象进行扫描，并将获得的信息数据有效地转换成可处理数据。该技术扫描速度快，具有主动性强、实时性强以及高精准度和全数字化特点，同时其作业时间短，应用成本低，输出格式可与三维动画、CAD软件接口相连接。三维激光扫描技术在城市建设、地形检测过程中的应用非常广泛，成功应用案例不胜枚举。

2 三维激光扫描仪在城市地形测量中的应用实践

2.1 采集数据

用三维激光扫描仪对地形进行测量，并用全站仪对控制网进行布设。在此过程中，测角的精度选定为3″，同时测距的精度自±3 mm+2ppm左右。本文所研究的三维激光扫描技术测区，处于某市开发区地带，扫描区域地形比较平坦，但是结构相对比较复杂，地面杂草、植被较少，而且人流量较小。

（1）布设控制网

测区范围内独立布设控制网，如图1所示，其中K4是已知点，其平面坐标为1000，1000米，高程500米。在测区范围内，经全站仪测边、测角，得到控制点坐标，并且利用全站仪三角高程获得控制点高程。

（图1：控制点分布图）

（2）三维扫描

地形测量过程中，扫描仪及相关设备需在K1点上，而且在测区范围内合适点安装三个不在相同直线的蓝白标靶，并将其中的蓝白标靶安装在控制点k5处。同时，将电源、扫描仪连接在一起，并且将电源开关打开，让仪器自检；对扫描仪、笔记本之间的通讯进行记录，然后启动Cyclone软件，并在此基础上建立工程文件、数据库，将扫描仪连接好，设置角度范围，拍摄扫描区域。在参数设置后以后，对该地区进行扫描，准确定位控制点上的标靶，并对标靶精细扫描；当上述所有过程完成以后，将扫描仪转架到k3位置，然后利用相同的方法进行扫描。

2.2 数据处理

（1）拼接点云数据

对于点云拼接而言，即整合多个测站点云数据，这是利用扫描仪不同坐标系统进行转化统一过程。本文研究时，采用的是基于公共标靶拼接方式，拼接后形成点云数据。

（2）预处理点云数据

在点云数据预处理时，主要是点云去噪、平滑以及抽稀压缩和空洞修补等，这些均可通过采用Cyclone等软件来完成。

2.3 绘制地形图

（1）转换坐标

实践中可以看到，点云数据坐标以及高程的获得，均建立在扫描仪坐标系统纸上；地形图采用独立测量坐标系，绘制用点云数据地形图之前，应当转换平面坐标、高程。同时，还要将三维扫描仪应用过程中所获得的点云数据坐标系，有效地转换至独立测量坐标系。比如，在平面坐标转换过程中，建立基于三维扫描仪的平面坐标系O-X1Y1，基于工程测量坐标系O-X2Y2。采用四参数模型对平面坐标进行转换，其中包括平移参数X0Y0，旋转参数为 ，尺度变化为 。对于任一点 在两坐标系中坐标分别为（ ），（ ），二者之间的关系如下：

在式1中的平移、旋转以及尺度变化参数计算过程中，至少要两个已知平面点；如果超过两个，则可采用最小二乘法拟合求解。采用最小二乘法，通过已知点平面坐标值解转换参数，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。

（2）生产等高线

第一，点云采样。点云数据量非常的大，本身研究过程中所采集的点云数据大约在14万个左右。以曲率采样为例，设定一个百分比值，利用软件采样最小二乘法对曲面曲率进行计算，然后依次对所有曲率进行计算；根据曲率大小对区间进行划分，并对点云精简删除，以此来获得百分比、点云数值之间的乘积点值。

第二，绘制等高线。将采样所得的点云数据有效地导入cass之中，并在此基础上构建DTM模型，然后对等高距进行优化设置，采用cass技术软件，即可自动生成等高线，

2.4 验证精度

本文所研究的实验测区范围内，有8个检核点均匀地布设在一起。在扫描过程中，检核点位置需安装蓝白标靶，利用全站仪获得的8个检核点平面坐标、高程与检核点点云转换后坐标数据，对比分析后，可以对城市地形图可靠性进行检验。三维激光扫描仪及相关配套设施的应用，可以准确获取检核点平面坐标、全站仪获取点平面坐标差值，其绝对值最小可达0.005米，最大值也只有0.024米，二者求平均值大约在0.012米左右；对于高程差值绝对值而言，其最小值大约在0.006米左右，最大值大约在0.029米左右，其平均值在0.018米左右。三维激光扫描仪转换后的数据误差，主要是因为控制测量产生的误差、坐标转换过程中的误差以及扫描仪系统产生的误差等。通过比较,采用三维激光扫描仪及相关配套技术设备以后，可有效满足城市地形测量需要。

结语

总而言之，三维激光扫描仪在城市测量中的应用，有效地克服了传统的测量局限性，其能够主动测量和非接触测量，并且直接获取高精度三维数据，具有实时性、准确性、扫描速度改快以及全数字化和高精度等特点，应用效果较好。

[1]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(03):70－72．

[2]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(01):14－16．