淺析三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用

1、淺析三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用摘要：三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用，有效地克服了傳統(tǒng)的測量局限性， 其能夠主動(dòng)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(shí)性、準(zhǔn) 確性、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。關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；地形測量；應(yīng)用一、三維激光掃描儀工作原理三維激光掃描儀由一臺(tái)高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以 均勻角速度掃描的反射棱鏡為主要構(gòu)造組成。其工作方式為激光測距儀主動(dòng)發(fā)射 激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn) 可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水

2、平和垂直方向角，得到每一掃描點(diǎn) 與測站的空間相對(duì)坐標(biāo)，如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個(gè) 掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。按照掃描平臺(tái)的不同三維激光掃描儀可以分為：地面型激光掃描系統(tǒng)、機(jī)載 （或星載）激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。本文工程中使用的為地面型三 維激光掃描儀，其工作原理為：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)， 經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算日標(biāo)點(diǎn)P 與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值a和縱 向掃描角度觀測值8。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向 掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向

3、掃描面垂直。獲得P的 坐標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)后處理軟件、電源以及附 屬設(shè)備構(gòu)成，采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖 形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn) 換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信 息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要2。二、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

4、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(gè)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(hào)與接收器解調(diào)出來的正弦信號(hào)的相位差，通過 此相位差可以計(jì)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，適合近距離精密測量； 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

5、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(duì)激光掃描系統(tǒng)的精確定位，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(duì)變化，通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制技術(shù)， 獲得精確的步距角。（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(duì)位移量以及激光器與目標(biāo)物體的相對(duì)距離，來 反求出掃描的角度值。3、掃描方式（1）主動(dòng)掃描方式。主動(dòng)掃描方式是指被測目標(biāo)物體與攝像機(jī)固定不動(dòng)且攝 像機(jī)視角可以覆蓋整個(gè)目標(biāo)物體，通過電機(jī)或旋轉(zhuǎn)棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光光源

6、的運(yùn) 動(dòng)，使光平面對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描。主動(dòng)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(duì)位置是不斷變化的，因此，標(biāo)定環(huán)節(jié)需要建立多個(gè)坐 標(biāo)系，產(chǎn)生誤差較多，難以保證測量的精度。（2）被動(dòng)掃描方式。被動(dòng)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(duì)位置固定，利用導(dǎo)軌或者轉(zhuǎn)臺(tái)去帶動(dòng)被測物體來實(shí)現(xiàn)它與光平面的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)。這種掃描方式由于攝像機(jī)和光平面的位置相對(duì)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(gè)坐標(biāo)系，各個(gè)光平面之間的關(guān)系 可以通過導(dǎo)軌和轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程來約束和確定，所以標(biāo)定過程相對(duì)簡單，產(chǎn)生的 誤差較小，測量精度較高。

7、三、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(duì)地形進(jìn)行測量，并用全站儀對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)。在此過 程中，測角的精度選定為3，同時(shí)測距的精度自3 mm+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)域地形比較平坦，但是 結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，地面雜草、植被較少，而且人流量較小。（1）布設(shè)控制網(wǎng)。測區(qū)范圍內(nèi)獨(dú)立布設(shè)控制網(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，得到控制點(diǎn)坐標(biāo)，并且 利用全站儀三角高程獲得控制點(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)合適點(diǎn)安裝三個(gè)不

8、在相同直線的藍(lán)白標(biāo)靶，并將其中的藍(lán)白標(biāo)靶安裝 在控制點(diǎn)k5處。同時(shí)，將電源、掃描儀連接在一起，并且將電源開關(guān)打開，讓 儀器自檢；對(duì)掃描儀、筆記本之間的通訊進(jìn)行記錄，然后啟動(dòng)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(duì)該地區(qū)進(jìn)行掃描，準(zhǔn)確定位控制點(diǎn)上的標(biāo)靶，并對(duì) 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 相同的方法進(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(gè)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；基于控制

9、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(shí)，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。生產(chǎn)等高線。第一，點(diǎn)云采樣。點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常的大，本身研究過程中 所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大約在14萬個(gè)左右。以曲率采樣為例，設(shè)定一個(gè)百分比值， 利用軟件采樣最小二乘法對(duì)曲面曲率進(jìn)行計(jì)算，

10、然后依次對(duì)所有曲率進(jìn)行計(jì)算； 根據(jù)曲率大小對(duì)區(qū)間進(jìn)行劃分，并對(duì)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。第二，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(duì)等高距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，采用cass技術(shù)軟件，即可自 動(dòng)生成等高線，4、驗(yàn)證精度實(shí)驗(yàn)測區(qū)范圍內(nèi)，有8個(gè)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(gè)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)，對(duì)比分析后，可以對(duì)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，可以準(zhǔn)確獲取檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)、全站儀獲取點(diǎn)平 面坐標(biāo)差值，其絕對(duì)值最

11、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(duì)于高程差值絕對(duì)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，主要是因?yàn)榭刂茰y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。通過比較，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。結(jié)束語綜上所述，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，地形、地貌一次測量完成、并同時(shí)獲得影像模型，自動(dòng)得到DEM數(shù)據(jù)， 且成果形式多樣，可以滿足不