三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的一些應(yīng)用

牛井義

（安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，安徽 宿州 234000）

在開展地形圖測繪當(dāng)中，全站儀以及GPS等技術(shù)手段有著普遍的應(yīng)用，而且經(jīng)過多年發(fā)展，這些測繪技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，但是在野外應(yīng)用的過程當(dāng)中，需要工作人員投入大量的勞動(dòng)力，測繪效率不是很高，而且常常受到地形因素的影響，在一些復(fù)雜地形以及危險(xiǎn)區(qū)域，工作人員很難到達(dá)，對于數(shù)據(jù)獲取造成很大影響[1]。三維激光掃描技術(shù)有其獨(dú)特的特點(diǎn)，技術(shù)優(yōu)勢比較突出，該項(xiàng)技術(shù)有效克服了傳統(tǒng)測量方式存在的不足，測量時(shí)不需要直接接觸物體，測量精度高，而且具有較高的測量效率，將激光束發(fā)射到測量對象之后，能夠快速及時(shí)的對測量對象展開測量，并快速的獲得其三維坐標(biāo)，并在處理這些數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行建模，行成測量區(qū)域三維虛擬模擬與數(shù)字地形圖，不僅使信息量的獲取大幅提升，更保證了測量精度。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

（1）三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成。在進(jìn)行測量過程中，掃描系統(tǒng)的控制主要通電供系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，組成了三維激光掃描系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，在掃描系統(tǒng)中其構(gòu)成主要是掃描系統(tǒng)以及測距系統(tǒng)，掃描儀的正常作業(yè)主要有控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如測量工作開展時(shí)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，將測站以及后視定向數(shù)據(jù)輸入其中，并科學(xué)合理的對掃描參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對掃描區(qū)域進(jìn)行合理劃分。電源是三維激光掃描系統(tǒng)開展測量工作的重要基礎(chǔ)，保證此項(xiàng)技術(shù)的順利開展。

（2）三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理。三維激光掃描技術(shù)的原理主要為：激光脈沖信號經(jīng)掃描儀發(fā)射器發(fā)出之后，并在物體表面進(jìn)行漫反射，并在相同路徑下，通過相反方向向接收器進(jìn)行傳回，這樣能夠有效的計(jì)算P點(diǎn)和S點(diǎn)，同時(shí)合理的控制編碼器，測量不同的激光脈沖，實(shí)現(xiàn)橫縱向方面的測量，a與β是掃描角度中的測量值，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀坐標(biāo)計(jì)算原理（公式1）

上述P點(diǎn)坐標(biāo)通過相應(yīng)的計(jì)算獲得，為設(shè)備自定義坐標(biāo)系，掃描儀測距激光發(fā)射器幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，橫向掃描中有x軸分布，和其垂直的為橫向掃描面內(nèi)的Y軸，z軸是該設(shè)備的主要豎軸，橫向掃描面與之呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)將坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，并合理的轉(zhuǎn)換相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，開展外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程當(dāng)中，將架站點(diǎn)以及后視點(diǎn)在其中輸入，在設(shè)備內(nèi)便可有效的轉(zhuǎn)換儀器坐標(biāo)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。將某礦區(qū)作為研究對象，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量采集，區(qū)內(nèi)具有復(fù)雜的地形特點(diǎn)，缺少地物。針對測區(qū)開展掃描測量過程當(dāng)中，利用三維激光掃描技術(shù)來完成，測站點(diǎn)坐標(biāo)通過雙頻接收機(jī)進(jìn)行測定，具體流程如下。①準(zhǔn)備工作。對勘查區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，合理的設(shè)置測站點(diǎn)，并按照相關(guān)順序合理掃描，測站點(diǎn)坐標(biāo)通過GNss測量獲得。②設(shè)站。將三維激光掃描儀設(shè)置在控制點(diǎn)上，同時(shí)進(jìn)行對中整平，將電源接通，將儀器自檢作用發(fā)揮出來。③網(wǎng)絡(luò)設(shè)置與連接。完成檢查后，利用網(wǎng)線有效的鏈接計(jì)算機(jī)以及掃描儀，開啟Cyclone軟件，對工程項(xiàng)目以及測區(qū)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行創(chuàng)建，網(wǎng)絡(luò)連接，依照Scanner Connect進(jìn)行執(zhí)行。④掃描設(shè)置。合理的對主距的精度以及范圍進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置各類型的標(biāo)靶和后視定向。⑤點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)SCAN命令要求，便能對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。通過Cydone軟件來有效處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，針對這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施相應(yīng)分平滑去噪，同時(shí)進(jìn)行匹配拼接，通過系統(tǒng)開展有效處理，生成地形圖。①平滑去噪。采集數(shù)據(jù)過程中，由于設(shè)備方面因素影響以及工作者的技術(shù)水平，測量物體的表面質(zhì)量和環(huán)境原因等相關(guān)因素影響，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)都有一定的噪聲點(diǎn)存在，所以要對這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展有效的平滑與降噪工作。②匹配拼接。受地形和視角等影響，為了更好的獲取三維地面信息，需要進(jìn)行多視點(diǎn)和多測量點(diǎn)掃描工作，同時(shí)在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程中，坐標(biāo)的確定主要是基于此儀器坐標(biāo)系統(tǒng)下完成，并將坐標(biāo)系進(jìn)行有效統(tǒng)一，對系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，包括拼接點(diǎn)云，拼接標(biāo)靶，拼接控制點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)建模及地形圖繪制

在確保精度基礎(chǔ)上，通過cyclone軟件抽稀處理海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將地物點(diǎn)數(shù)據(jù)以及道路和建筑物等，進(jìn)行二維圖形編制，植被過濾后的地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，依照成圖比例尺，對點(diǎn)距過濾合理的進(jìn)行選擇，并進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模型生成，在此前提下，通過等高設(shè)置，進(jìn)行等高線生成，在CASS軟件中開展相應(yīng)的編輯處理，并直接導(dǎo)入圖形，進(jìn)行輸出便可，此時(shí)也可對地物和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接提取，導(dǎo)出時(shí)通過TXT格式來完成，并進(jìn)行DAT格式的CASS坐標(biāo)文件轉(zhuǎn)化，編輯成圖過程中通過CASS軟件來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

通過研究發(fā)現(xiàn)，在大比例尺地形圖測繪過程當(dāng)中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，發(fā)揮著非常大的作用，能夠更好的保證測量精度，可以更加快速的對高精度三維數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，尤其是工作人員難以抵達(dá)的區(qū)域，利用該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。為了進(jìn)一步推進(jìn)大比例尺地形圖測繪過程當(dāng)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。今后在此方面應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)相應(yīng)的研究工作，進(jìn)而促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)的有效應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)工作的順利開展。