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三維激光掃描技術(shù)在地形測繪成圖中的應(yīng)用

發(fā)布日期： 2014-07-18 發(fā)布：  

  2014年2期目錄       本期共收錄文章20篇

　　摘要：隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，測繪技術(shù)也有很大的改變，尤其三維激光掃描技術(shù)作為在測繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它快速、細致和高精度的特點減少了測繪人員的作業(yè)時間和強度，使測繪效率大幅度得以提高，具有傳統(tǒng)測量手段無可比擬的優(yōu)勢。本文詳細分析三維激光掃描技術(shù)，以及它在地形測繪成圖中的應(yīng)用，以供參考。
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　　關(guān)鍵詞：地形測繪 三維激光掃描技術(shù) 應(yīng)用
　　中圖分類號：P234.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0089-01
　　以往的地形測繪成圖是利用GPS設(shè)備、人工攜帶全站儀等儀器，采集野外有限個測點信息，經(jīng)專業(yè)軟件處理后再生成圖的形式。傳統(tǒng)方法雖然較為穩(wěn)定，但測繪人員要面對一些危險性較大的區(qū)域和難以達到的高難度邊坡位置，數(shù)據(jù)采集時間也較長，測繪人員工作強度大，稍不留神，容易導(dǎo)致意外事故。三維激光掃描技術(shù)改變了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)流程，縮短了外業(yè)工作時間，降低了測繪人員勞動強度和難度，提高了測繪成果的質(zhì)量。
　　1 三維激光掃描技術(shù)相關(guān)概述
　　1.1 三維激光掃描技術(shù)
　　三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，它和傳統(tǒng)的GPS測量方式比起來具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢，能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，所以，一些高精度高分辨率的數(shù)字地形模型也可通過三維激光掃描技術(shù)來獲取。按照測量方式可劃分為基于三角測距原理、基于脈沖式和基于相位差三種，按用途可分為室內(nèi)和室外，概括來說就是長短距離不同的原理。通�；诿}沖式的三維激光掃描技術(shù)測程都較長，最遠可達到6公里。而基于相位差原理的三維激光掃描技術(shù)測程就不如脈沖式，它的測程較短，只有百米左右。
　　1.2 特點
　　三維激光掃描具有三維掃描和快速掃描的特點。
　　傳統(tǒng)測量概念里，幾乎最終輸出的數(shù)據(jù)都是二維結(jié)果（如CAD出圖），在目前測量所使用的儀器當中全站儀、GPS占據(jù)大量的比例，然而測量出的數(shù)據(jù)都是二維形式的。但三維激光掃描技術(shù)每次測量出的數(shù)據(jù)都涵蓋大量的測量信息，如R，G，B顏色信息，X，Y，Z點的信息，甚至物體反色率的信息也能同時反應(yīng)出來，是傳統(tǒng)測量手段無法企及的。
　　快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念，快速掃描的測量速度能達到每秒1000點，而常規(guī)的測量手段，每一點的測量都會浪費2～5秒不等，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)正好改變了此現(xiàn)象，提高了工作效率和質(zhì)量。
　　1.3 工作原理
　　三維激光掃描技術(shù)在進行探測和測距時利用了光來獲取對象表面點的三維坐標，達到三維場景重建和提取地表信息的目的。完整的三維激光掃描系統(tǒng)需要有以下幾個方面共同組成：激光測距系統(tǒng)、高精度動態(tài)GPS差分定位系統(tǒng)（DGPS）和高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量系統(tǒng)（INS）。它首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號并經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標，之后運用探測器接收反射回來的激光脈沖信號，記錄器將過程所產(chǎn)生的信號給詳細的記錄下來，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，測繪人員通過數(shù)據(jù)信息進行識別，將信息經(jīng)軟件處理后實現(xiàn)實體建模輸出。
　　1.4 數(shù)據(jù)采集與處理
　　點云數(shù)據(jù)是指通過3D掃描儀獲取的海量點數(shù)據(jù)，完整的三維激光掃描技術(shù)脫離不開INS數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)，三維激光掃描主要獲取的是離散三維點云數(shù)據(jù)，有利于將細節(jié)信息和劇烈變化的地物和地形給展現(xiàn)出來。點云數(shù)據(jù)反射強度信息和地表物體對激光的作用信息，為進一步點云數(shù)據(jù)處理提供參考。數(shù)據(jù)采集中很重要的一個環(huán)節(jié)就是利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模，最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量也受其影響。數(shù)據(jù)采集工作流程為：現(xiàn)場勘查――相掃――精掃反射體――對目標區(qū)域的精掃――拍攝場景照片。數(shù)據(jù)處理流程也分為三個步驟，（1）校準；為了統(tǒng)一相機坐標系和掃描儀坐標系，只有統(tǒng)一好這個坐標系后，地貼紋理才能準確。（2）消除噪點；由于一些不可抗拒的因素或測量儀器等原因，不可避免會出現(xiàn)噪點，會影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，所以在操作點云數(shù)據(jù)之前，先清楚噪點。（3）點云的拼接；確定統(tǒng)一坐標系是點云拼接的前提，可以用項目坐標系PRGS作為統(tǒng)一的坐標系，及時不使用全站儀也可以。
　　2 三維激光掃描技術(shù)在地形測繪成圖中的應(yīng)用
　　（1）采集野外數(shù)據(jù)；考察測區(qū)周圍環(huán)境，判斷掃描儀、測站數(shù)和標靶的位置，盡量選擇少的測站，使原始的數(shù)據(jù)量有所減少，保證完整的測量區(qū)域能用各掃描占最終獲取的數(shù)據(jù)。同步獲取紋理數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理匹配。選擇相應(yīng)的采樣進度要根據(jù)不同的比列尺寸要求，掃描采用逐站的方式。
　�。�2）數(shù)據(jù)預(yù)處理；通常激光雷達點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟包括如圖1所示：
　　掃描的點云數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，其獲取都來自不同站點，統(tǒng)一至一個坐標系需要對掃描后的點云數(shù)據(jù)進行正確匹配，便于建模和定量化分析目標，正確的匹配方法也有所不同，①精確地理坐標可通過GPS提供各個掃描站點，使固定的地理坐標系中涵蓋所有的點云數(shù)據(jù)，此類方法能使所有點云的真實地理位置可以準確獲得，，為后期數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。消除地形重采樣和手工點云數(shù)據(jù)的噪聲，通常這些噪聲中包含空氣懸浮物，電線桿等。分割處理的點云，利于建模處理感興趣的目標物。
　�。�3）地物的繪制和提取。
　　提取點云數(shù)據(jù)還可利用三維激光掃描技術(shù)后期處理軟件，如Gyclone軟件，地物特征點可以在點云視圖中手工提取，之后在文本文件中輸出相應(yīng)的格式，如E，H，F(xiàn)eature等，可以直接導(dǎo)入測繪圖軟件來繪制地物。
　　3 結(jié)語
　　總之，三維激光掃描技術(shù)來可以彌補傳統(tǒng)地形測繪工作的許多不足之處，它快速、細致和高精度的特點減少了測繪人員的作業(yè)時間和強度，使測繪效率大幅度得以提高。地形測繪中，一些難以開展數(shù)據(jù)采集的高難度區(qū)域通過三維激光掃描技術(shù)可以快速順利完成數(shù)據(jù)采集工作。三維激光掃描技術(shù)的深入研究對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義，但是三維激光掃描技術(shù)也有外界環(huán)境條件、點云數(shù)據(jù)與目標物體反射面等不足之處，所以在使用過程中應(yīng)盡可能客服上述不足之處，以便獲取高精度的測繪成果。
　　參考文獻
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　　[3]于廣婷，劉嘉，白立飛，等.基于三維激光掃描技術(shù)的大比例尺地形圖繪制方法[C].第十四屆華東六省一市測繪學會學術(shù)交流會論文集.2012：97-99.

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