三維激光掃描儀在航道地形測(cè)量中的應(yīng)用

李裕聰

摘 要：三維激光掃描技術(shù)作為測(cè)繪界的最新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段。本文介紹了三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的原理和工作流程，通過(guò)三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在航道地形測(cè)量中的運(yùn)用，對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；航道；地形測(cè)量

中圖分類號(hào)：U612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）08-0040-03

1916年，著名的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦首先發(fā)現(xiàn)了激光的原理；1960年代，紅寶石激光器和半導(dǎo)體激光器相繼誕生；1964按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森的建議將“光受激輻射”改稱“激光”，確定了激光在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)稱呼。由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，從而引起了測(cè)繪儀器行業(yè)科研人員的廣泛關(guān)注，激光技術(shù)在1980年代開(kāi)始運(yùn)用在距離測(cè)量方面。隨著激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)量技術(shù)逐步由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光測(cè)距發(fā)展為采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式快速獲取物體表面大量采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)。1990年代起，因?yàn)槿S激光掃描系統(tǒng)在各項(xiàng)性能快速提升及價(jià)格逐步下降和應(yīng)用需求的推動(dòng)下，三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域成為研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐步成為快速獲取空間實(shí)體三維模型的主要方式之一。近幾年，我國(guó)的中海達(dá)等一些測(cè)繪儀器公司也開(kāi)始具備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中高端三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的能力，也生產(chǎn)出性能接近國(guó)外知名品牌的三維激光掃描儀，價(jià)格卻只有進(jìn)口產(chǎn)品的2/3，硬件性價(jià)比突出。但是在配套數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)上還沒(méi)能迎頭趕上，暫時(shí)只能使用價(jià)格昂貴的外國(guó)軟件。

1 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的原理和工作流程

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning Technology）是用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)（即：點(diǎn)云（Point Clouds）），然后由獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物的三維模型的一種全自動(dòng)測(cè)量技術(shù)。三維激光掃描的工作過(guò)程主要包括：

（1）數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)采集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理；數(shù)據(jù)預(yù)處理階段涉及的內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及拼接等。

（3）幾何模型重建；模型重建階段涉及的內(nèi)容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等。

（4）模型可視化；成果輸出。

概括起來(lái)，實(shí)際上就是數(shù)據(jù)的外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理兩大部分。

2 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在航道地形測(cè)量中的運(yùn)用

2.1 測(cè)區(qū)概況

一般航道地形測(cè)量的范圍是河流兩岸水沫線以上到河槽岸頂?shù)拈L(zhǎng)條帶狀地形，地表或多或少地分布有青草、蔬菜、玉米、竹、樹(shù)等植被。本次測(cè)量的河段正符合了這樣的特征，在測(cè)量前，已經(jīng)用GPS-RTK進(jìn)行了圖根點(diǎn)的布設(shè)。

2.2 外業(yè)儀器簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)的采集是通過(guò)三維激光掃描儀進(jìn)行三維激光掃描，獲取測(cè)區(qū)地形的三維數(shù)字模型。在本項(xiàng)目中，采用徠卡HDS8800三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。這款儀器是瑞士徠卡公司出品的一款高端三維激光掃描儀，此款儀器集便捷性、易用性及高效性于一體，獨(dú)特的超長(zhǎng)掃描距離使其可以廣泛用于地形、礦山、滑坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域；儀器內(nèi)置有7000萬(wàn)像素的高分辨率相機(jī)，掃描同時(shí)可拍攝高分辨率全景照片，并將其渲染到掃描數(shù)據(jù)上，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)（格式：X，Y，Z，R，G，B），而無(wú)需其它相機(jī)拍照以及校準(zhǔn)。完整的圖像細(xì)節(jié)使內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)分析更輕松、更高效。

2.3 內(nèi)業(yè)軟件簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目使用HDS8800配套的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件徠卡Cyclone進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

徠卡Cyclone軟件是三維激光掃描領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件系統(tǒng)，該軟件是HDS掃描儀的配套軟件。用戶使用該軟件可以高效率地控制徠卡測(cè)量系統(tǒng)的多種HDS掃描儀。使用該軟件用戶可在工程測(cè)量、制圖、及各種改建工程中處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。軟件的主要特點(diǎn)包括：

（1）可對(duì)掃描儀的采樣密度、內(nèi)置照相機(jī)曝光和分辨率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并控制掃描儀完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集；

（2）實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接、分塊處理和海量數(shù)據(jù)管理功能；

（3）自動(dòng)構(gòu)網(wǎng)和生成等高線，可輸出二維或三維圖，線畫(huà)圖，點(diǎn)云圖，三維模型，可輸出DXF，PTX，PTS，TXT等多種數(shù)據(jù)格式；

（4）結(jié)合徠卡公司的Cyclone軟件的點(diǎn)云發(fā)布和TruView網(wǎng)絡(luò)瀏覽工具，可實(shí)現(xiàn)真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。

2.4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

儀器設(shè)置在之前已經(jīng)布設(shè)好的圖根點(diǎn)上對(duì)和對(duì)岸進(jìn)行三維激光掃描， HDS8800僅僅只用了約30分鐘就完成了360度一圈的高密度掃描，這樣的數(shù)據(jù)采集速度往往會(huì)讓第一次接觸三維激光掃描儀的人感到很震撼。本項(xiàng)目需要真用到的范圍是河對(duì)岸1.5公里長(zhǎng)的約60米寬的水邊區(qū)域。

2.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

因?yàn)槭且淮涡話呙柰瓿蓴?shù)據(jù)采集工作，所以內(nèi)業(yè)沒(méi)有拼圖的工作內(nèi)容。野外地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，即利用Cyclone軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入聯(lián)想公司出品的便攜式圖形工作站進(jìn)行進(jìn)行去噪、抽稀提純處理，也就是把在掃描測(cè)量時(shí)，因人、飛鳥(niǎo)、車船等移動(dòng)物從掃描視場(chǎng)中經(jīng)過(guò)而產(chǎn)生的無(wú)效數(shù)據(jù)、測(cè)程超出測(cè)區(qū)的產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)等噪聲數(shù)據(jù)過(guò)濾掉。Cyclone軟件提供了多種過(guò)濾模式：距離過(guò)濾、角度過(guò)濾、離散點(diǎn)過(guò)濾、邊緣過(guò)濾、面過(guò)濾等。抽稀提純則是更精確的去噪過(guò)程，在軟件中參考HDS8800掃描儀內(nèi)置相機(jī)所拍攝的照片把最能真實(shí)反映地形地貌的特征點(diǎn)抽取出來(lái)。經(jīng)過(guò)這一步驟，數(shù)據(jù)包的體積已經(jīng)從開(kāi)始的幾個(gè)吉字節(jié)變成了幾十兆字節(jié)。和用傳統(tǒng)全站儀測(cè)量法得到的地形數(shù)據(jù)差不多了，可以導(dǎo)出為南方CASS成圖軟件使用的DAT格式文件進(jìn)行地形圖的編繪，從而得到該測(cè)區(qū)的地表數(shù)字地形圖、和等高線等成果。其實(shí)，Cyclone軟件本身也有生成DEM的功能，但因?yàn)榻缑媸怯⑽牡?，使用起?lái)不如南方CASS方便。

經(jīng)過(guò)CASS編繪后，如圖4，將掃描數(shù)據(jù)生成的地形圖成果與幾年前用全站儀按傳統(tǒng)測(cè)量方式獲得的地形圖成果進(jìn)行疊加比對(duì)，發(fā)現(xiàn)二者在平面位置以及高程上都吻合的很好。

3 總結(jié)與展望

比較三維激光掃描儀和傳統(tǒng)的全站儀跑鏡測(cè)量的作業(yè)模式、工作強(qiáng)度和成果精度。利用三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪地形圖，不需要照準(zhǔn)合作目標(biāo)，可以自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物表面密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而提高了測(cè)量的效率，使相關(guān)外業(yè)測(cè)繪流程大大簡(jiǎn)化，外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大減少，外業(yè)工作時(shí)間大大縮短，大部分時(shí)間轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)在軟件中對(duì)掃描數(shù)據(jù)的處理，內(nèi)業(yè)處理的自動(dòng)化程度也顯著提高。掃描儀獲取數(shù)據(jù)的成圖精度可以達(dá)到1：1000（植被影響小的情況下可以符合1：500）的地形圖的要求。在三維激光掃描儀在航道地形測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：

（1）這種測(cè)繪方法對(duì)地形地物描述細(xì)致，但也造成了采集的數(shù)據(jù)包體積過(guò)于臃腫，對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)的硬件配置要求比較高；

（2）目前有一個(gè)比較致命的缺陷：容易受地表植被影響，與全站儀相比測(cè)量成果的高程精度相對(duì)低一些，甚至不能正確反映測(cè)點(diǎn)的實(shí)地高程；

（3）硬件價(jià)格已逐步“平民化”，但軟件價(jià)格還很昂貴。這也限制了三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的普及和應(yīng)用。

三維激光掃描技術(shù)作為測(cè)繪界的最新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段。還需要逐步的摸索，需要總結(jié)工程解決方案并形成一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和商業(yè)化的成熟，這個(gè)新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也必定會(huì)不斷擴(kuò)大，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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