探讨地形三维激光扫描技术在地形测量一体化中运用如何

论文导读：论，根据地形测量时点云数据的特点，对其粗差进行提取，并归纳总结三维激光扫描技术用于地形测绘中还需要解决的问题。关键词：三维激光扫描地形测量点云数据一、引言随着科技不断发展，测绘技术不断更新，地形测量的方法来由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等发展到现在的全站仪配合绘草图、全站仪配合测图精灵
1007-0745（2012）12-0218-01
摘要：现阶段在地形测量一体化中主要用到的是全站仪测量技术或GPS 实时动态定位（ RTK） 测量技术，但在复杂、危险地形测量中，上述技术很难准确测量出地形，而三维激光扫描技术可以解决这个难题。三维激光扫描技术采用无棱镜非接触测量的方法， 在视野范围内都可采集到被观测点的坐标，从而避免了测量人员攀爬高陡边坡， 减少了可能的人身危险，改善了实际测量条件。介绍了三维激光扫描的基本理论，根据地形测量时点云数据的特点，对其粗差进行提取，并归纳总结三维激光扫描技术用于地形测绘中还需要解决的问题。
关键词：三维激光扫描 地形测量 点云数据
一、引言
随着科技不断发展， 测绘技术不断更新，地形测量的方法来由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等发展到现在的全站仪配合绘草图、全站仪配合测图精灵或笔记本电脑进行野外数字化成图的方法，使地形测量由原始手工绘图测量向一体化发展，在技术和精度上都有很大的提高。
三维激光扫描技术具有速度快、精度高、功能强、效率高等特点， 可以在短时间内获取丰富、准确的地形数据资料，此外因采用无棱镜非接触测量的方法， 在视野范围内都可采集到被观测点的坐标， 对复杂，危险地形测量中从而避免了测量人员攀爬高陡边坡， 减少了可能的人身危险。
本文在介绍三维激光扫描技术基本原理的基础上， 详细论述应用该技术实现地形测量一体化的方法及步骤， 并主要介绍地形测量的点云数据的处理。

二、三维激光扫描系统

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为： 机载（ 或星载） 激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。其中地面三维激光扫描测量仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、由马达控制且可旋转的滤光镜、彩色CCD 相机、控制电路板、微电脑和软件等组成。
地面型三维激光扫描系统工作原理： 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号， 经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算目标点与扫描仪距离。精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。

三、三维激光扫描实现地形测量一体化的过程

基于三维激光扫描技术的地形测量一体化的主要作业流程包括外业数据采集、点云数据配准、地物的提取与绘制、非地貌数据的剔除、等高线的生成和地物与地貌的叠加编辑等几个步骤。

1. 外业数据采集

先对测区周围环境进行考察，确定扫描仪和标靶的位置。一要保证各扫描站最终获取的数据能代表完整的测量区域；二要选择尽量少的测站，以减少原始数据量。扫描同时还必须对测区的地物及特殊地形拍照，以便于后期的数据处理、地形图的编辑修改。
每一测站扫描完后，还必须对3个或4个标靶进行精细扫描。该扫描过程通过选取控制标靶区域内的点，为每个标靶设置惟一的标识，然后通过精细扫描该区域确定控制标靶的中心点。同时还需用无反射全站仪精确测出标靶中心在施工坐标系下的三维坐标，用于后续多站数据的配准。

2.点云数据的配准

地面三维激光扫描仪每次扫描只能得到测区局部的数据，为了得到测区完整的三维数据，往往需要从不同的位置进行多次扫描，每次扫描得到的数据都处在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。因此，需要在扫描区域中设置一些控制标靶，从而使得相邻的扫描点云图有3个或3个以上的同名控制标靶，通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下，这一步叫点云数据的“配准”。

3.地物的提取与绘制

地物特征点的提取是在配准好的点云数据中手工提取的，如房屋角点、电线杆中心点等。可以利用地面三维激光扫描的后处理软件来提取，如Leica的Cyc lone软件，可以在点云视图中手工提取地物特征点，并以一定的格式输出到文本文件中。如：“PointNumber， Feature Code，E，N，H”格式的文件，可直接导入到大比例尺数字测图软件（ 如CASS）中绘制地物。

4.地貌数据获取

由于三维激光扫描技术是对整个测区空间信息的扫描，包含了地表的所有信息。地形表面的树木植被及地物的存在会影响等高线的自动生成，所以在生成等高线前需要将非地貌部分的点云数据剔除，此部分目前还没有相应的软件能实现自动化的剔除。可采用Leica的论文导读：
Cyclone软件人工剔除非地貌点云数据。

5.等高线生成

地面三维激光扫描时为获得详细的地面信息一般扫描密度较大，相对地形测绘来讲其点位太密，且分布不均匀。直接利用扫描点来构三角网追踪等值线，由于其细节信息过多，会导致等高线紊乱。因此，一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行抽稀。最后将数据导入到大比例尺数字测图软件中， 自动生成等高线。

6.地形图编辑

将地物图形与等高线图形进行叠加和编辑，同时由于切除了地物部分的数据造成生成的等高线局部缺失、扭曲、不光滑等，这时需要对照照片及点云数据，手动进行修改。最后加上高程注记，生成图廓，进行局部的整饰。

四、结论与展望

地面三维激光扫描测量系统不需要与被测物体接触， 其数据可以方便地与其他软件进行交互，可以进行陡崖、峡谷等危险地形的精细测绘。当然， 三维激光扫描技术应用于精细地形测绘还处于初步研究应用阶段， 它还有很多问题需要解决：
1） 目前还没有一套完整成熟的基于点云数据的地形图测绘软件， 在成图的过程中需要交互使用到多种不同的软件。虽然Leica 已推出了基于点云数据的地形测绘软件Cyc lone II TOPO， 但其目前还只是一个地形特征点提取的辅助工具， 还不能胜任快速、复杂的地形测绘任务。
2） 如何实现点云数据中地形特征点的自动或半自动化精确提取， 将是地面三维激光扫描技术应用于地形测绘的过程中需要长期进行研究的课题。
3） 如何自动化或半自动化剔除点云数据中的非地貌数据， 是等高线生成中急需解决的问题。
参考文献：
梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报，2摘自：毕业论文题目www.7ctime.com
010（1）：53～56.
何秉顺，赵进勇，王力等.三维激光扫描技术在堰塞湖地形快速测量中的应用[J].防灾减灾工程学报，2008，28（3）：394～398.
[3]史友峰，高西峰.三维激光扫描系统在地形测量中的应用[J].山西建筑，2007，33（12）：347～348.