三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用

本文格式為Word版，下載可任意編輯——三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用，有效地戰(zhàn)勝了傳統(tǒng)的測量局限性，其能夠主動測量和非接觸測量，并且直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，具有實(shí)時性、確切性、掃描速度快以及全數(shù)字化和高精度等特點(diǎn)，應(yīng)用效果較好。本文探討了三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用。

三維激光掃描儀；地形測量；應(yīng)用

將三維激光掃描儀用于地形測量是完全可行的。在地形測量一體化中，采用三維激光掃描技術(shù)完全能夠滿足一般地形圖測量的需要，與其他地形圖測量方法相對比，其能夠?qū)崿F(xiàn)真正的一體化。利用三維激光掃描儀與計算機(jī)相結(jié)合得出地形圖，大大提髙了效率，節(jié)省大量人力物力，特別是在地形險峻、人難以到達(dá)的地方有著極大的優(yōu)勢。

一、三維激光掃描系統(tǒng)測量原理

1、測距原理

（1）三角測距法。三角測距法的測距原理是：利用平面三角形的幾何關(guān)系來求得掃描中心與目標(biāo)物體表面之間的距離。激光光源的發(fā)射點(diǎn)和CCD攝像機(jī)的接收點(diǎn)位于基線兩端，并與目標(biāo)物體表面反射點(diǎn)構(gòu)成三角形平面。

（2）脈沖測距法。脈沖測距法的測距原理是：由發(fā)射機(jī)向被測目標(biāo)物體發(fā)射一束激光脈沖，激光脈沖發(fā)射到目標(biāo)物體上，其中部分激光反射到接收機(jī)被接收器接收。

（3）相位測距法。相位測距法的測距原理是：由發(fā)射器發(fā)射出一個攜帶正弦波的光束，再通過接收器接收經(jīng)被測目標(biāo)物體反射回的攜帶正弦波的光束，只需要測量調(diào)制到發(fā)射器上的正弦信號與接收器解調(diào)出來的正弦信號的相位差，通過此相位差可以計算出要測量的距離。

以上3種測距方法各具特點(diǎn)，根據(jù)測量距離與測量精度的關(guān)系，適用于不同的領(lǐng)域。三角法測距的測量距離最短，但測距精度最高，適合近距離縝密測量；脈沖法測距的測量距離最長，但測距精度較低；相位測距法具有較高的測距精度，適用于中距離測量，但在激光掃描系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

2、測角原理

（1）角位移測量原理。激光掃描系統(tǒng)的測角方式與常規(guī)測角儀器不同，是根據(jù)激光光路的變化來求得掃描角度。為了實(shí)現(xiàn)對激光掃描系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位，采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)光路與目標(biāo)物體角度的相對變化，通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分操縱技術(shù)，獲得準(zhǔn)確的步距角。

（2）線位移測量原理。線位移測量是通過CCD攝像機(jī)測量激光器發(fā)出的光束與目標(biāo)物體表面區(qū)域形成的相對位移量以及激光器與目標(biāo)物體的相對距離，來反求出掃描的角度值。

3、掃描方式

（1）主動掃描方式。主動掃描方式是指被測目標(biāo)物體與攝像機(jī)固定不動且攝像機(jī)視角可以覆蓋整個目標(biāo)物體，通過電機(jī)或旋轉(zhuǎn)棱鏡的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)激光光源的運(yùn)動，使光平面對目標(biāo)物體進(jìn)行掃描。

主動掃描方式可以實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌的固定曲面測量，適用于便攜式測量系統(tǒng)。但由于光平面與攝像機(jī)的相對位置是不斷變化的，因此，標(biāo)定環(huán)節(jié)需要建立多個坐標(biāo)系，產(chǎn)生誤差較多，難以保證測量的精度。

（2）被動掃描方式。被動掃描方式是指保持?jǐn)z像機(jī)和激光光源投射的結(jié)構(gòu)光的相對位置固定，利用導(dǎo)軌或者轉(zhuǎn)臺去帶動被測物體來實(shí)現(xiàn)它與光平面的相對運(yùn)動。這種掃描方式由于攝像機(jī)和光平面的位置相對固定，因此傳感器的外部參數(shù)只有一組，便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。由于只需要建立一個坐標(biāo)系，各個光平面之間的關(guān)系可以通過導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動方程來約束和確定，所以標(biāo)定過程相對簡單，產(chǎn)生的誤差較小，測量精度較高。

二、三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用

1、采集數(shù)據(jù)

用三維激光掃描儀對地形進(jìn)行測量，并用全站儀對操縱網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。在此過程中，測角的精度選定為3″，同時測距的精度自±3mm+2ppm左右。本文所研究的三維激光掃描技術(shù)測區(qū)，處于某市開發(fā)區(qū)地帶，掃描區(qū)域地形對比平坦，但是結(jié)構(gòu)相比較較繁雜，地面雜草、植被較少，而且人流量較小。

（1）布設(shè)操縱網(wǎng)

測區(qū)范圍內(nèi)獨(dú)立布設(shè)操縱網(wǎng)，其平面坐標(biāo)為1000，1000米，高程500米。在測區(qū)范圍內(nèi)，經(jīng)全站儀測邊、測角，得到操縱點(diǎn)坐標(biāo)，并且利用全站儀三角高程獲得操縱點(diǎn)高程。

（2）三維掃描

地形測量過程中，掃描儀及相關(guān)設(shè)備需在K1點(diǎn)上，而且在測區(qū)范圍內(nèi)適合點(diǎn)安裝三個不在一致直線的藍(lán)白標(biāo)靶，并將其中的藍(lán)白標(biāo)靶安裝在操縱點(diǎn)k5處。同時，將電源、掃描儀連接在一起，并且將電源開關(guān)開啟，讓儀器自檢；對掃描儀、筆記本之間的通訊進(jìn)行記錄，然后啟動Cyclone軟件，并在此基礎(chǔ)上建立工程文件、數(shù)據(jù)庫，將掃描儀連接好，設(shè)置角度范圍，拍攝掃描區(qū)域。在參數(shù)設(shè)置后以后，對該地區(qū)進(jìn)行掃描，確切定位操縱點(diǎn)上的標(biāo)靶，并對標(biāo)靶精細(xì)掃描；當(dāng)上述所有過程完成以后，將掃描儀轉(zhuǎn)架到k3位置，然后利用一致的方法進(jìn)行掃描。

2、數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

點(diǎn)云拼接是多個測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整合，是基于掃描儀不同坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的過程。點(diǎn)云拼接方法有：基于連接點(diǎn)的拼接；基于標(biāo)靶的拼接；基于操縱點(diǎn)的拼接。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括：點(diǎn)云去噪和平滑，點(diǎn)云抽稀壓縮，點(diǎn)云空洞修補(bǔ)等。這些過程都可以通過Cyclone和Geomagic軟件完成。

3、繪制地形圖

（1）轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

實(shí)踐中可以看到，點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)以及高程的獲得，均建立在掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)上；地形圖采用獨(dú)立測量坐標(biāo)系，繪制點(diǎn)云數(shù)據(jù)地形圖之前，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換平面坐標(biāo)、高程。同時，還要將三維掃描儀應(yīng)用過程中所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，有效地轉(zhuǎn)換至獨(dú)立測量坐標(biāo)系。

（2）生產(chǎn)等高線

第一，點(diǎn)云采樣。點(diǎn)云數(shù)據(jù)量十分的大，本身研究過程中所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大約在14萬個左右。以曲率采樣為例，設(shè)定一個百分比值，利用軟件采樣最小二乘法對曲面曲率進(jìn)行計算，然后依次對所有曲率進(jìn)行計算；根據(jù)曲率大小對區(qū)間進(jìn)行劃分，并對點(diǎn)云精簡刪除，以此來獲得百分比、點(diǎn)云數(shù)值之間的乘積點(diǎn)值。

其次，繪制等高線。將采樣所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有效地導(dǎo)入cass之中，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建DTM模型，然后對等高距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，采用cass技術(shù)軟件，即可自動生成等高線，

4、驗(yàn)證精度

試驗(yàn)測區(qū)范圍內(nèi)，有8個檢核點(diǎn)均勻地布設(shè)在一起。在掃描過程中，檢核點(diǎn)位置需安裝藍(lán)白標(biāo)靶，利用全站儀獲得的8個檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)、高程與檢核點(diǎn)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)，比較分析后，可以對城市地形圖可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。三維激光掃描儀及相關(guān)配套設(shè)施的應(yīng)用，可以確切獲取檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)、全站儀獲取點(diǎn)平面坐標(biāo)差值，其絕對值最小可達(dá)0.005米，最大值也只有0.024米，二者求平均值大約在0.012米左右；對于高程差值絕對值而言，其最小值大約在0.006米左右，最大值大約在0.029米左右，其平均值在0.018米左右。三維激光掃描儀轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)誤差，主要是由于操縱測量產(chǎn)生的誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中的誤差以及掃描儀系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差等。通過對比，采用三維激光掃描儀及相關(guān)配套技術(shù)設(shè)備以后，可有效滿足城市地形測量需要。

綜上所述，三維激光掃描儀測量技術(shù)給傳統(tǒng)測繪帶來了一股清風(fēng)，是數(shù)據(jù)測圖史上又一次創(chuàng)新進(jìn)步，相比傳統(tǒng)的地形測量具有效率高、表現(xiàn)力強(qiáng)、測量細(xì)節(jié)豐富