杨惠敏 贺晓波
中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 山西省太原市 030001
摘要：无人机测绘技术能够迅速测得小范围内的数字正射影像图（DOM），所得数据精度较高，但在数字高程模型（DEM）的数据采集方面则有所欠缺；三维激光扫描技术可在短时间内方便地获取精准DEM数据，但其视场角有限，极大地限制了该技术的发挥，时常出现盲区，所得结果存在漏洞，不能完成DOM制作，实践效果不佳，无法将误差控制在预定范围。若将两者结合，则可有效提高测绘工作效率和质量，获得完善、高精度的DOM数据与DEM数据。
关键词：无人机测绘 三维激光扫描技术
引言：步入新世纪以来，随着科学水平的飞速提升，各类新型技术与设备纷纷问世，渗入到人类生活与工作的各个领域，引发重大变革。在过去的测绘行业，完全采用人工开展各项工作，消耗人力物力成本极高，但所得数据精度低，时常需要进行返工，在需要对偏僻地区、自然环境恶劣地区进行调查测绘时，工作人员甚至面临生命危险。如今，可应用无人机测绘技术与三维激光扫描技术，充分结合与发挥二者优势，提高数据结果的精度、提升工作效率，促进我国测绘行业发展。
一、DOM与DEM简介
DEM指数字高程模型，指的是通过测绘技术所获得的一篇区域内规则格网点的平面坐标与高程构成的数据集，能够准确描述该地区地貌形态的空间分布情况，是对地貌形态的虚拟表示方法，能够在此基础上构建等高线、坡度图等，也可和DOM或其它数据进行叠加与融合，更为全面详细地分析地形地貌，其本身还能够为DOM的制作提供基础数据。DEM模型的来源为通过等高线或相似立体模型进行数据采集，之后进行数据内插，其获取方法多种多样，如可利用GPS、全站仪等直接在地面进行测量，也可根据航天影像测量，还可直接从现有的地形图中采集，但效率和精度最高的方法是三维激光扫描技术。DOM则是利用DEM对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集。
二、无人机测绘技术与三维激光扫描技术研究
1、无人机测绘技术
1.1优势
1.1.1流程简单
使用无人机进行测绘，是在低空完成工作，因此不需要经历较为复杂的审批流程，能够节省大量时间；非高空作业一般不会受到气候因素的太大影响，雷电和暴风都很难影响无人机工作的区域；无人机的起飞和降落都不像载人机一样需要专门的机场或者大片空地，可以在普通土地上进行，因此能够适用于复杂地区的工作环境。
1.1.2精度较高
无人机技术所采用的GPS定位系统最初是应用于军事打击，能够大大提高测绘精度，提供十分准确的数据，在小范围测量过程中甚至能够精确到厘米和毫米，大范围测绘的误差也不会超过10米，超出人力所能达到的水平。
1.1.3操作简单
如今无人机设备已经逐渐向着智能化和自动化方向发展，操作十分简单，很容易就能学会和熟练掌握，操作人员只需要在某个固定位置对其进行操控，就能够完成整片区域的测绘工作，而且与人工测绘相比，它的效率要高出许多倍，实际经验表明，它只需要用几百分之一的时间就能够完成同样区域的测量工作，能够完全满足复杂区域测绘的工作量大、精度要求高的特点。
1.2利用无人机测绘技术获取DOM
在无人机测绘技术实施中，本研究采用Canon 5D Mark II（佳能EOS 5D Mark II全画幅单反相机）和固定翼无人机进行无人航摄，获取DOM数据，步骤如下。
1.2.1布设相控点联测拟合
本次实验结合测区地形，将无人机航飞前布设好的“十字型”、规格为0.4 mx1.0 m的油漆点与石灰标志点作为“像控点”，并以厘米级高精度似大地精化水准面（2.5'x2.5'）为基准，采用GNSS卫星定位连续运行基准服务平台进行联测、拟合。
1.2.2无人机测绘航线设计
在设计无人机测绘航线时，要求其旁向重叠度不能小于65%，航向重叠度不能小于75%，一个航带内的航高最大值与航高最小值之差应不大于30 m。
1.2.3无人机内业数据处理
通过对无人机内业数据进行影像预处理、影像匹配、 影像空三加密及影像正射纠正等，得到局部DOM数据。
在采用三维激光扫描技术获取高精度DEM数据时，本实验中最远测量距离为4000 m，在实际自然目标最远距离为2700 m左右，采用地面三维激光扫描仪（VZ4000型），分别基于50、100、200及300 kHz四种发射脉冲条件下，依次通过现场查看，确定各扫描位置站点，布设标靶，数据扫描，数据处理等步骤，获取高精度的DEM数据。
2.利用三维激光扫描技术获取DEM数据
2.1测站选址
利用地面三维激光扫描仪获得地形数据，应基于如下选址原则：（1）确保各三维激光扫描区域获得的扫描数据能够将地面三维激光扫描区域完整覆盖；（2）在保证数据完整前提下，应选择较少的地面三维激光扫描测站，减少搬站次数；（3）在相邻两个三维激光扫描测站之间，应至少布设4个扫描可视的控制点靶标；（4）应保证能够扫描到扫描区域布设的所有控制点靶标。
2.2布设扫描区域标靶
在扫描区域布设标靶，采用无棱镜全站仪测量标靶具体坐标，将扫描数据坐标转换至工程独立坐标中。为了提高扫描数据坐标转换精度，应在测区周围均匀布设四个及以上的反射片标靶。这些反射片标靶应避免处于同一面上或同一条线中。为了防止影响地面三维激光扫描仪扫描及后期拼接精度，反射片标靶的布设不能太远，一般距离保持在30 m左右为宜。
2.3 数据扫描
采样间距的设置对于数据采集精度的控制有着直接影响。若采样间距设置较大，后期数据处理及存储均会受到影响，而设置较小的数据采样间距，则会影响三维激光扫描仪扫描精度。本实验选用的三维激光扫描仪型号为VZ4000，每站的扫描时间控制在6 min左右最为适宜。
2.4数据处理
采用三维激光扫描仪扫描不同测站点的数据前，首先需要对其进行去除噪点预处理。由于VZ4000型号的三维激光扫描仪在扫描测站数据时，设置了50、100、200 及300 kHz四种发射脉冲频率，其距离也不同，如发射脉冲频率为30 kHz时，自然物体的目标测量距离可达2700m。随着目标测量距离增大，经三维激光扫描获取的DEM数据精度就越低，所以还需采用Range gate(短波雷达)，针对不同站点扫描数据进行滤波处理，然后根据标靶，分别采用“绝对拼接”或“相对拼接”的方法拼接不同站点间的数据。为了有效控制每站坐标转换误差，本研究在RiScan(三维激光扫描)软件中采用绝对拼接方法按距离去除点云实现站点拼接，数据拼接完成后，通过对各站点数据进行滤波分类，最终得到高精度的DEM数据。
2.5填补DEM数据漏洞
由于采用三维激光扫描技术在地面三维扫描时制作DOM难度大，受视场角限制，测量、扫描存在漏洞和盲区。因此本实验以扫描数据为控制点，在无人机测绘技术得到的DEM数据中进行内插，据此补充地面三维激光 扫描数据盲区或漏洞。通过计算无人机测绘DOM内插 高程及三维激光扫描DEM高程差，由此得到系列坐标点高程差值，进而改正三维激光扫描漏洞区域的无人机测绘DEM高程值。
三、结束语
采用三维激光扫描技术，可在较短时间内获得某一区域的精准地形数据信息，其使用成本低、效率高，可节省大量测绘时间，但若要同时获取高精度DOM，则无法完全通过三维激光扫描技术实现，由于视场角限制、影响难度制作大等因素，三维激光扫描必然存在一定局限性。若将其与无人机测绘技术进行结合，则可取长补短，高效完成对某区域的全面测绘工作，获得精确的DOM与DEM数据信息，大大提高测绘效率。
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