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三维激光扫描技术在地形测量中的应用分析

发表时间：2021/6/11 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张逸威

[导读] 摘要：地质勘探工作的开展，地下资源的详细研究，矿产储量的计算等，都要求有各种比例的地形图。

        浙江华东建设工程有限公司浙江省杭州市 310000
        摘要：地质勘探工作的开展，地下资源的详细研究，矿产储量的计算等，都要求有各种比例的地形图。精确而完整地表示出地貌地物的位置和高程是地形测量的主要任务。地形测量的方式方法有很多，采用的仪器随着科学技术的进步亦是逐渐智能、精确。本文主要介绍在地形测量工作当中采用三维激光扫描技术的流程和方法。阐述采用三维激光扫描技术进行地形图测量与采用传统方法进行地形测绘相比较的区别和优点。
        关键词：三维激光扫描仪；地形测量；应用
        1 地形测量的原理和方法
        地形测量是通过各种仪器设备及手段方法将待测区域的地表物体、地势变化等通过水平投影后按一定的比例在地形图上描绘出来，辅以各类注记和各种形状符号，在图纸上完整体现待测区域的地形形貌。地形测量一般要求先进行整体的控制测量再进行细部测量，目的是保证测量的精度，避免误差累积。常用的平面控制测量法方法有导线测量法、三角测量法、GNSS-RTK方法等，细部测图是以控制点为基础，测定地物、地貌细部点的平面位置和高程，并最终将其在软件上绘制成地形图。
        传统测图方法通常存在周期长，精度低，受地形和周围视线遮挡物干扰大，形成的误差大，作业效率低等缺点，且外业在陡坡、岛礁、沙漠等地区测量时危险系数较高。随着测量技术的发展，三维激光扫描技术突破了传统技术的这些缺陷，实现了更高精度更高效的地形测量，利用三维激光扫描技术可以快速大量地获取地形地貌的空间坐标数据。
        2 三维激光扫描技术测制地形图
        2.1 三维激光扫描技术的原理
        无论扫描仪的品牌或类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是大致相似的。三维激光扫描仪的主要构造是一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时系统接受由自然物表面反射回来的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点（反射点）的三维坐标。
        2.2 三维激光扫描地形图测制的工作流程
        三维激光扫描技术发展到现在已经能够做到很大程度的自动化、智能化和精细化，以MaptekI-site8820三维激光扫描仪为例，采用I-site8820三维激光扫描仪进行精细地形测绘的主要作业流程包括测站坐标采集、扫描、点云数据处理（分类）、点云数据导入CAD或CASS生成 1∶500符合测量规范的地形图。
        2.2.1 扫描现场勘察
        在进行地形图测绘之前，首先应对测区周围环境进行观察用以确定测站和标靶的位置。测区现场勘察选择测站和标靶位置的宗旨是：在保证能够完整测量整个测区的前提下尽量少设置测站。尽量少设置测站的目的是降低点云数据在拼接过程中产生的误差。同时，现场测区地形勘查的过程中需辅以对测区特殊地形的拍照等工作，以帮助在地形图上描绘地物地貌时辅助记忆，帮助地形图测绘编辑工作。
        2.2.2 点云数据获取
        三维激光扫描仪的外业数据采集方式与所采集到的点云数据的拼接方法是相对应的。不同的数据采集方法采集到的点云数据需要不同的数据拼接方式加以处理。本文以MaptekI-site8820三维激光扫描仪为例进行三维激光扫描地形图测绘，点云数据获取方法主要有3种：①利用已知控制点的数据采集方法②利用标靶的数据采集方法③利用公共特征点的点云数据采集方法。
        （1）利用已知空间坐标点（控制点、标靶）的数据采集方法
        在已知空间坐标的测量控制点处设置测站安放三维激光扫描仪以及设置标靶点安放标靶，点云拼接方法采用绝对拼接方法，测站和各个标靶的空间坐标在同一个坐标系内，每个测站测得的空间坐标均依靠已知控制点的空间坐标解算，避免了误差因传递而累积。

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利用已知控制点的三维激光扫描获取点云数据的方式是目前地形测量中最常用的外业数据采集方式。此种方法可与GNSS-RTK等坐标定位采集技术相结合，效率高、精度高、技术门槛低。
        （2）利用公共标靶的数据采集方法
        当现场不便于布设控制网，测站以及标靶空间坐标未知时，可以利用公共标靶进行点云数据采集。此种情况下采集的点云数据的拼接方式属于相对坐标转换方式。利用公共标靶进行点云数据采集时，应先观察扫描测量目标周围环境，选取通视条件好的位置安放扫描标靶以及测站。安放点选取的宗旨是任意测站测量时能够同时观察到三个以上的标靶。确定标靶和测站的安放位置后进行扫描，扫描结束后，应单独再对测站扫描范围内的公共标靶进行一次高精度的扫描测量，目的是确保获取到精确的标靶空间坐标。利用公共标靶进行扫描测量时应保证每两个测站之间的公共标靶数量大于4个。此种点云数据采集方式适用于对建筑物的扫描测量。测得各测站的点云数据后利用公共标靶进行点云数据拼接。
        3 三维激光扫描技术在地形测量当中的优势
        3.1 硬件方面的优势
        （1）测量方法多样灵活：
        传统测图方法基于控制点坐标采用经纬仪、钢尺、量角器、直尺等，手动逐点测量细部点的高程和角度然后人工计算细部点的坐标，再用量角器、直尺、铅笔，在地形图上标注高程、坐标以及绘制地物，标记记号，或者采用全站仪逐点测量细部点的高程和坐标，然后将数据导入到制图软件当中绘制成地形图。三维激光扫描测量技术可以进行完整独立的测量，也可与传统测量方式相结合，提高统测量方式的测量精度和效率。
        （2）数据获取方式具有优势：
        传统的测绘方式采用的经纬仪等设备需要人工在各个测点竖立标尺（棱镜杆）以供数据采集和读取，效率低、容易产生各类误差，误差也容易累积，尤其是在较危险的野外区域进行作业时，作业人员的健康和安全难以得到保证。而三维激光扫描系统通过对光学机械扫描模块、激光测距模块、控制记录模块等模块设备的高度紧密集成，对目标物进行主动式扫描，获取批量的数据，效率高、精度高。
        3.2 数据处理的优势
        传统经纬仪获得的测量数据需要手动计算处理，已经远远不能满足现代测绘工作的需要，采用全站仪测得的单点测量数据也需要逐个采集和记入到仪器当中，在测量结束后统一导入到图形处理软件当中，亦处在半人工半自动化的范畴之内。三维激光扫描仪通过公共标靶扫描或公共特征点扫描方法，利用软件将多站测量得到的扫描点云数据自动化拼接，利用图片编辑软件绘制地形图。几乎不需要人工计算操作即可生成等高线，生成产品的数学精度也较传统作业方式有了很大的提升。
        4 结语
        采用传统测量设备（例如平板仪、经纬仪等）做地形测绘需人工逐点立尺，是相对落后的测图方法，工作强度大、速度慢、效率低。从安全生产方面考虑，利用传统测量设备（甚至是GNSS设备、全站仪等）人员要亲自走到各待测点测量其坐标，生产工作的安全性低，尤其是当测区位于山区、岛礁等地区。三维激光扫描技术实现了无人跑尺，极大的减轻了野外作业强度。利用三维激光扫描仪做地形测量，从数据采集到数据处理及地形图绘制，在工作效率及人员作业安全性上都得到了很大的提高，给地形测量工作带来了新起点、新突破。三维激光扫描数据经过内业软件的处理就可以直接使用，数据后处理不复杂，提高了测图效率。测绘过程中无须和被测目标直接接触，适用于很多复杂特殊的场景，生产出的成果形式及应用空间也更广。三维激光扫描技术作为目前发展迅猛的新技术，必定会在更多领域得到深入和广泛的应用。
        参考文献：
        [1] 朱曙光，余平洋.三维激光扫描技术在大比例尺地形图测绘中的应用[J].山东工业技术，2015（1）：304-305.
        [2] 郑欣.三维激光扫描技术在水利工程坝址地形图测绘中的应用[J].广东水利水电，2017（11）：46-49.
        [3] 刘渊.误差理论与数据处理[D].大连：大连理工大学，2018.