地形测绘中三维激光扫描技术的应用分析

地形测绘中三维激光扫描技术的应用分析

张涛张岩

天津市市政工程设计研究院天津300051

摘要：随着三维激光扫描技术的问世，被应用在各个领域。它是继GPS后的一次技术革命，在各领域有着重要的发展意义。而本文将简述它在地形测绘成图的应用并且结合实际例子来探讨它的工作特点及优势和相关工作原理。与传统测量方法相比，它有着先天优势，不仅测量快速，精准，效率高而且减少工作人员的时间和精力。

关键词：三维激光扫面技术；实际应用；地形测量

引言

老一代的地形测绘成图是借助GPS设备或者人工携带全站仪等仪器在野外进行有限个测点信息的搜集，经过技术人员的专业处理最后生成地形图。但是传统方法有其弊端，一搜集数据的时间长，二对测绘人员来说，工作难度大，每进行一项测量时，必须全神贯注，才能减少差错，对工作人员的各方面要求高。测绘人员一个小走神，意外就可能发生。而三维激光扫描技术就可以避免这些问题，简化以前繁杂的测量步骤，使它更易于操作；同时减少测绘人员在外面等危险地区的工作时间，大大地保障工作人员的安全。更好的一点就是，三维激光扫描技术的测绘成果是细致精准的。

1.三维激光扫描技术的定义，特点及原理

1．1定义

三维扫描技术可以说是测绘领域里的一次新的技术突破，通过提供被测物的三维云数据提供详细的信息，大大提高了测绘效率。按照测量方式可分为三种：基于三角测距原理，基于脉冲式和基于相位差。每种测量方式的测程都不同，基于脉冲式的测量方式其测程较长，而基于相位差原理的测量技术测程就相对而言较短。

1．2原理

区别于传统的单点测量，三维激光扫描技术利用激光测出距离的原理，记录物体表面的大量点的三维坐标，从而获取详细的精准的三维立体数据。它工作的步骤为：开始激光脉冲二极管发射激光脉冲信号，经过转棱镜射向目标物，通过探测器接收反射回来的激光脉冲信号，经过记录器将产生的信号完整的记录下来，最终转换成能够识别的信息，通过专业软件处理进行实体建模输出。

1．3特点

（1）扫描速度快，相对于传统的测量方法，激光扫描测量能在短时间内获取大量的信息，速度能达到每秒1000点，从而节约工作时间保证工作的准确性。（2）不用接触目标物就可以扫描测量获取大量信息，工作人员几乎不用外出作业，只需要对收集回来的信息进行数据化分析，比如有的煤矿塌陷，为了解决这个问题需要对它的地形进行测绘，而它范围狭窄，地形复杂又有一定的危险性，这个时候可以利用三维激光测绘系统的非接触性进行测量。(3)传统的测量手段所输出的数据都是以二维的方式呈现，不利于后期对目标物的分析处理，而三维激光扫描系统可以测量被测物的大量信息，包括颜色等，是一种三维形式，这些详尽的信息对后期的建模提供充分的依据。

2.数据的采集和处理

在最后的建模过程中，数据是关键因素。首先通过3D扫描仪获取大量的点数据，数据携带的信息为后面的建模铺路。数据采集工作流程；现场勘查，粗扫，精准反射体，对目标区域精扫，拍摄场景照片。

数据的处理分为三个流程。校准，使纹理能精准贴者；噪点的消除，避免过大的噪点影响数据质量；点云的拼接。

3.三维激光扫描技术在测绘过程中的应用

3．1在野外等特定区域采集数据

以山西吕梁盛地大道工程为例，该区域高差较大，转点较多，如使用传统的测量方式进行数据采集，受到多种地形因素的限制，利用南方灵越S82接收机及配套设备，在平面控制点上接收卫星数据，当RTK固定解在稳定收敛至mm级精度一分钟后开始接收数据；测量时采用与GPS仪器相配套的对中杆上固定GPS接收机（事先量测好杆高，精确到毫米），仪器中设置好固定杆高和到天线相位中心的方式，然后架设在稳固支架上进行数据的接收，每个点固定解均观测三分钟，确保观测数据质量，布设控制点14个，分别在各点架站进行扫描。

3．2对采集的数据进行预处理

由于点云数据来自不同的站点，想要对它预处理，必须使之统一到同一个坐标系中再进行配对处理（见图1）。这样对后续的建立模型和数据分析提供便利。精准匹配的方式不同，利用GPS来扫描各个站点获取详细的地理位置也就是其坐标，这个固定的地理坐标必须包含全部的点云数据，方便后续的数据处理及分析。在测量过程中，地形重采样和手工点云数据无可避免会有噪声，比如空气中的悬浮物，电缆线等等，这些噪声必须要进行消除。最终为了顺利建模分析处理目标物，还得对已经处理好的点云数据进行分割处理（见图2）。生成的点云数据导入专业软件，经过相应处理后得到的地形图。（见图3）

图1采集到的三维彩色

图2点云数据

图3

4.结束语

与传统的地形绘制手段相比，三维激光扫描系统不仅有高精度，快速的优点同时可以代替工作人员对某些特殊地形区域扫描，从而快速的完成工作要求，极大地减轻工作人员的工作强度，减少他们的生命威胁。所以三维激光扫描技术在某些地形险势的区域有很大的可用性。利用该系统进行地形测绘工作需要各种设备的相互配合，比如GPS等来寻找测点的准确位置，获取相关坐标.虽然三维激光扫描技术在地形测绘成图领域里有着重大的意义，但是它也有自己的弊端，环境和许多外在因素对最终的质量有一定的影响。如，目标物的反射影响着测点的定位精度等等。所以在使用三维激光扫描技术的时候要克服一切外在因素才能获得质量较好高的成品。随着科技经济的高速发展，我国出现了一批又一批的科技人员，解决了一个又一个的难题，但是我们的科技工作人员任重道远，目前三维激光扫描技术在地形测绘成图领域有很大的发展，但是研究人员也可以对它深入研究，也许在其他领域，此项技术可以得到更充分广泛的应用，从而提高工作质量和效率，最终将实现经济的发展。

参考文献：

[1]郭琳娜.地面三维激光扫描技术在地形测绘中的应用[D].宁夏大学,2015.

[2]房延伟.三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用[D].吉林大学,2013.

[3]朱生涛.地面三维激光扫描技术在地形形变监测中的应用研究[D].长安大学,2013.图2点云数据