三维激光扫描技术在汝箕沟煤田地形测绘中的应用

董 毅

（重庆市勘测院）

地形测绘主要分为2个方面，顾名思义，一是测，即测量，二是绘，即绘图。在进行地形测绘的时候，这2个方面基本都是同时进行的［1-2］。我国地理环境是相当复杂的，所以在进行某一项工程施工之前，地形测量这一步基本是不可省去的。实际上，地形测绘的应用范围是非常广泛的，并不局限于建筑和道路建设。事实上，地球上的许多人类活动都离不开地形测绘，例如交通运输、城乡发展规划等许多方面，这些人类活动都在一定程度上或多或少地依赖着地形测绘［3-4］。随着经济的繁荣发展，科学技术的进步，人们对于客观世界的认识水平不断提高的同时，改造地球的能力也在逐渐提高，这就对于信息的采集和提取的要求更加详细、精确。传统的地形测绘技术已经没有办法满足现代发展的需要，这时三维激光扫描技术应运而生，这一技术不仅可以收集更为详细的信息，其处理分析信息的能力也是一流，还可以存档，受到了科研人员的一致好评，广泛应用于各种建设活动。

1 三维激光扫描在地形测绘中的优势分析

三维激光扫描技术跟传统的测绘技术相比具有明显的优势，具体如下。

（1）三维激光扫描仪能够迅速获取测量对象的三维数据，这就极大提高了收集外业数据的速度，工作效率得到了极大提高，跟之前的测绘技术相比，它不仅减少了测量所花费的时间，还为数据的更新提供了便利［5-6］。

（2）三维激光扫描仪每次扫描可以获取被扫描目标的大范围空间信息，还能够实时探查被测量物体表面的三维数据。

（3）三维激光扫描仪不受光照、气压等外部因素的约束，可以全天候对测量对象进行实时的动态探测。

（4）该系统在测量时是通过发送和接受脉冲信号来获取测量物体的表面信息，无需采取任何表面处理，尤其当测量对象位于危险区域时，这一优势更加凸显出来。

（5）三维激光扫描技术采集的信息基本都是以数字的形式呈现，并且易于自动化显示输出。

2 三维激光扫描技术数据采集过程分析

2.1 三维激光扫描技术工作原理

三维激光扫描地形测绘技术不再像传统的测绘技术那样繁琐复杂，采用的是激光扫描的方法，得出被测量对象的二维坐标信息，这种测量方式基本可以测量出任意位置和任意细节的信息［7］。

2.2 三维激光扫描地形测绘数据采集过程

三维激光扫描分为机载扫描和地面扫描2种方式，根据本次所选测区的实际情况，这里仅简要阐述地面三维激光扫描地形测绘点云数据的采集过程［8］，其点云数据的获取过程如图1所示。

2.3 点云数据的处理

相较于传统的地形测绘技术，三维激光扫描技术采集到的原始点云数据结构较为复杂，必须对原始点云数据进行一系列处理，剔除原始数据中的冗余点后，才能用来进行模型构建及地形图绘制，具体数据处理流程如图2所示。

3 三维激光扫描技术实际工程应用

3.1 测区概况

测区位于贺兰山北段腹地汝箕沟煤田阴坡大岭湾采区，测区长为2.6 km，宽为1.9 km，呈矩形，面积为4.94 km2。阴坡大岭湾采区四至概略坐标如表1所示。

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通过前期测区现场实际勘察，发现本次施测区域内的地形较为复杂且起伏较大。针对测区地形复杂、起伏较大的实际情况，有针对性地制定了施测方案，主要包括控制点布设、定向标记、数据扫描采集、数据处理等方案实施部分。

3.2 数据获取及预处理

（1）点云数据的拼接。由于测区现场不同因素的影响，三维激光扫描仪在不同测站所采集到的数据需要经过数据拼接、坐标转换之后才能整合到一起。当前，点云数据拼接所能应用的方法较多。根据本次所施测测区的具体情况，对三维扫描仪各测站所采集到的原始点云数据选择应用公共标靶法进行拼接。

（2）点云数据的去噪和平滑处理。在实际应用三维激光扫描仪采集测区地形点云数据时，由于扫描式的数据采集方式，测区内地表存在的砾石、杂草及其他因素会在一定程度上影响地形点云数据采集质量，导致所采集到的地形点云数据含有不同程度的噪声。对于这些地形点云数据中含有的噪声，必须对其进行去除，否则会对模型构建精度、地形图绘制质量产生很大影响。目前，测区地形点云数据常采用手动去除的方法进行去噪，但是采用手动方法无法完全去除点云数据含有的噪声。因此，若要最大程度地去除点云数据含有的噪声，还需通过数据平滑的方式对点云数据进行再次处理。图3为经过平滑处理后的点云数据示意图。

（3）点云数据的抽稀压缩。相较于其他地形测绘方法，由于三维激光扫描技术采用分站式扫描的数据采集方法，在一定扫描半径内会采集到大量地形数据，这就导致了三维激光扫描仪所采集到的原始点云数据冗余量非常大，不便于后续点云数据的处理、存储及传输。因此，要通过压缩与抽稀的方法大大减少大量冗余的原始点云数据，以便于数据的处理。经抽稀压缩后的点云数据示意图如图4所示。

（4）修补点云数据空洞。由于测站假设、仪器扫描精度误差及其他外界因素的影响，在应用三维激光扫描仪进行地形测绘时，无法将扫描半径范围内的地形数据全部采集进去，会使所采集到的地形数据在一定程度上存在空洞。所以在对点云数据进行处理时，还要对点云空洞进行修补。根据本次所施测测区的实际情况，采用全部填充的方法对点云数据所存在的空洞进行修补。在本次施测地形的点云数据中，对较小空洞进行修补，图5、图6分别为点云数据修补前及经修补后的示意图。

4.3 点云数据建模及地形图绘制

当前，点云数据的建模方法有2种：一种是基于三维点阵方法的数学建模，另一种是基于规则格网化建模。在点云数据模型构建方面，上述2种建模方法有着各自的优势及局限性，在实际点云数据模型构建过程中，要根据实际情况进行建模方法的选择。根据本次所施测测区的实际情况，选择应用规则格网化的建模方法对所采集到的点云数据进行模型构建。

地貌和地物是进行测区地形线化图绘制所要考虑的两大主要地形元素，进行线化图绘制时要根据测区实际地形情况选择所要绘制的地形元素。本次所施测的测区大部分区域属平坦地形，局部区域地形起伏较大，且整个区域内地物相对较少。因此，在进行测区地形线化图绘制时仅考虑了地貌元素，且通过三维等高线的形式进行绘制。本次等高线绘制采用通过Geomagic Studio 12将所采集到的点云数据导入CASS中来实现，绘制完成的等高线如图7所示。

4.4 三维激光扫描地形测绘成图质量评价

将用三维激光扫描仪通过扫描测量的方式得出的点三维坐标和使用全站仪测量的三维坐标进行计算和对比，不仅要计算出这些点的高程误差，还要计算出这些点的平面误差，通过对比来评价和验证三维激光扫描地形测绘的成图质量，并对一些测图质量检测点进行布设，其中的10个点布设在了地形起伏比较大的区域，有5个点布设在了平坦缓坡区域，并将全站仪所测的点位坐标作为此次地形测量的真值。全站仪所测坐标数据如表2所示，三维激光扫描仪所测坐标经转换后数据如表3所示。

通过对以上坐标数据进行计算，再结合表2和表3的数据对比分析可以看出，这些检测点的高程误差小于3 cm，平面坐标的误差低于5 cm，因此可以得出用三维激光扫描仪通过扫描测量的方式得出的点三维坐标的精度完全可以满足要求。

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5 结论

本研究简要描述了三维激光扫描技术在地形测绘中的应用，通过与传统地形测绘技术的对比，阐述了三维激光扫描技术在地形测绘中的应用优势，并以汝箕沟煤田阴坡大岭湾采区实际地形测绘为依托，阐述了三维激光扫描技术在地形测绘中的具体应用。为了验证三维激光扫描地形测绘的准确性，随机抽查了其中一些控制点的数据进行对比核验，有力证明了三维激光扫描地形测绘的实用性。三维激光扫描技术凭借其跟传统测绘技术相比的众多优势，在如今的地形测绘工作中发挥着相当重要的作用，具有广阔的应用前景。