李天林
（四川陌洋测绘有限公司 四川成都 610220）
摘要: 首先对三维激光技术的概念、发展及空地一体扫描技术的研究背景进行了分析，然后对空地一体扫描技术进行定义并对空地一体扫描技术的特点进行了总结，最后对其应用进行了研究。经过实地操作，基于无人机的空地一体三维扫描技术可以有效克服传统扫描方式弊端，实现高精度立体监测网络( 空中-地面-地下监测)，完成多载荷数据获取平台:机载-车载-室内、机载-车载-室内知识产权系列产品等。
关键词: 空地一体；三维激光扫描；应用研究
0引言
三维激光扫描技术是测绘领域继全站仪、GPS技术后的又一次革命产品，被称为“实景复制”或 “逆向工程”技术。近景摄影测量是其部分领域的竞争产品。三维激光扫描技术始于1995年，目前是朝阳行业。在国内，正在出台相关的规范和标准。该技术能够真实描述扫描对象的整体结构及形态特征，快速准确地生成三维数据模型，防止基于点数据的分析方法导致的片面性，应用方面大大提高了工作效率，填补了部分行业空白。
国内外该技术已广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积量测等领域。但传统的三维激光技术与应用有许多弊端:
①传统三维建模方式从数据采集到成图周期太长，如航测；
②传统街景方式为二维，清晰度低，不够逼真；
③传统城市部件采集方式效率低。
因此，现代三维激光技术基本上都是基于地面或机载某种单一方式，或将两种方式结合在一起的应用。传统方式采用单一方式的激光扫描，但不可避免地会有漏洞，一般都是采用软件内插点云的方式填补空洞。采用空地一体扫描技术，可以将传统的被动测量、间接测量有效转化为主动测量、直接测，可以选择性地使用地面三维扫描仪补充特殊地区真实点云，达到更加精确的结果。因此探索空地一体扫描技术在测绘工程中的应用方法与理论，将具有一定的现实意义。
1 空地一体扫描技术简介
三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，无需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，如此则可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已成为当前研究的热点之一，并在文物数字化护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。测量技术的快速发展，各种先进的测量装备及仪器也随之投入到信息化测绘作业中，信息化测绘作业也越来越向空地一体化发展。空地一体扫描技术可以定义为: 采用机载激光辅以地面三维激光等多种扫描技术，快速采集物体表面真实可靠的三维数据的技术。
空地一体扫描的核心技术包括:位置姿态( positioandorientation system，POS)positioandorientation system，POS)、惯性导航系统( inertial navigation system，INS)、捷联惯性导航系统( strapdown inertial navigation system，SINS)、惯性测器件( inertialmeasurement unit，IMU)、激光建模测(lasermodeling instrument，LMI)。
POS的本质是SINS GPS构成的组合系统。SINS可实时连续地测量载体的位置、速度和姿态等全部运动参数，但是其误差随时间累积。GPS 可以提供载体的高精度位置和速度，但是GPS信号易受到遮挡、干扰等因素影响，且数据更新率低，因此将SINS和GPS 相组合，可以综合二者的优点，实现优势互补，是一种较为理想的位置姿态测量系统。
2 空地一体扫描技术特点
2.1空地一体，多方位获取高精度点云数据
轻型无人机机载雷达搭配地面三维激光扫描仪，可快速多角度获取高精度点云数据，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
2.2 非接触式数据获取，直接采集物体表面的三维数据
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以解决危险目标、环境( 或柔性目标) 及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
2.3 主动发射扫描光源(激光) ，不受扫描环境时间和空间的约束
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源(激光)，通过探测自身发射的激光回波信号获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以实现不受扫描环境时间和空间的约束。
2.4 快速、高精度获取海量点云数据
三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的，可准确反映出地物信息。
2.5 可与 GPS 系统配合使用
这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，对信息的获取更加全面、准确。内置数码摄相机的使用，增强了彩色信息的采集，使扫描获取的目标信息更加全面。GPS 定位系统的应用，使得三维激光扫描技术的应用范围更加广泛，与工程测量的结合更加紧密，近一步提高了测量数据的准确性。
3 该技术在某地形测绘中的应用
3.1 实例应用
该项目位于广州番禺区，测区总面积约18km2，总建筑面积约 1.5km2；项目成果要求为1: 500地形地籍图；房屋依河涌而建，整体比较分散；但房屋间距较小，小范围内房屋密集，且房屋周围树木茂密。无人机航测手段由于房屋密集几乎看不到地面，传统测绘手段由于信号遮挡，通视不便，获取目标地物真实数据也异常困难，且传统手段耗费人力物力较大，18km2几乎要做6个月。测绘精度要求本次不动产权籍调查中地籍测量精度按照国家及省相关标准执行，农村房屋测量面积量算精度要求为三级。
3.2 实例应用过程
采用无人机机载三维激光雷达+地面站补点的方式作业，外业投入3人，航飞了20个架次(采用大疆飞行平台，航时有限，每架次只能飞行16min)，外业数据采集完，经过内业点云数据解算，坐标转换，再经过自主研发的SouthLidar软件中进行地形地籍图生产，最终生成DLG成果。将采集的191个检查点跟激光点云的地面点数据做比较，由软件自动生成报告，最终得出高程精度中误差为6.9 cm，116个检查点得出的高程精度中误差为5.1cm，完全满足1∶500 航测高程精度要求。
4 结束语
基于空地一体扫描技术的车载三维数据采集系统在高楼大厦林立的城市中运行，GPS信号时有时无。又由于交通状况的影响，车载平台时走时停，这些都使得车载系统的工作环境十分独特，同时也会存在容易失锁的地方: 如立交桥、过街天桥、高楼底下、两边是树的林荫道，一般失锁时间为30s，因此本文关心组合导航系统的精度主要是关心在失锁30s或1min之后可以达到的精度。总体而言，空地一体扫描技术是现阶段较为新颖的技术，相对于传统全站仪、RTK技术而言，具有非接触式、效率高、速度快等优势，相对于无人机航测技术而言说具有全天候作业、高程精度高、可穿透植被缝隙直接获取真实地面高程的优势，因此在高精度地面高程测绘、地籍测绘、电力巡线、应急监测、森林植被采集及滩涂等人工无法到达的作业环境等领域有其巨大的优势，本文关于空地一体扫描技术及其应用进行分析和探讨，以及对于我国三维激光技术的推广，起到一定的促进作用。
参考文献：
[1]李隆方，张著豪，邓晓丽，等.基于无人机影像的三维模型构建技术[J].测绘工程，2013（04）.
[2]张万强，赵俊三，唐敏.无人机影像构建三维地形研究[J].测绘工程，2014，23（3）.