三维激光扫描技术在山林地形测绘中的应用

三维激光扫描技术在山林地形测绘中的应用

和秀兰

维西傈僳族自治县自然资源局

摘要：针对复杂地形的精确地图绘制，传统的测图方法主要依靠全站仪、GPS、水准仪按照成图比例尺要求，规划并测量若干个测点再经内页处理成图。这种方法数据采集时间长，外业强度较大，尤其针对危险的复杂地形，往往束手无策，而无人机航测技术虽然高效，但要达到高精度，需要一定数量的像控点，其布设像控点的难度和危险系数高。随着三维激光扫描技术不断发展，在立面测量、矿山滑坡监测预警、地形测量、地铁隧道施工与变形监测等测绘行业以及遗产保护、灾害防治、城市建模等诸多领域中得到广泛应用，充分发挥了非接触测量、设站灵活、测量点间隔精细、扫描速度快、精度高的特点，在实际工程中大大降低外业强度，节省了人力物力。本文针对山林地形中危险区域的精细地形图测量，采用三维激光扫描仪进行测图作业，介绍了其测量的基本原理，阐述三维激光扫描技术在地形图测绘的作业流程，通过工程实例，总结实践经验，为更深次的研究与应用打下基础。

关键词：非接触测量；地图测绘；全站仪；无人机航测；三维激光扫描

非接触测量是测绘技术的发展趋势，尤其面对斜坡、陡崖等危险地形的地图测绘，全站仪等接触式测量方法测图效率低或因地形限制而无法作业。无人机航测技术发展成熟，地形、地貌条件的限制往往无法达到精度要求。三维激光扫描测量方法具有非接触、全自动、快速、精度高等优点在测量领域广泛应用，在危险、困难条件中很好适用。介绍了三维激光扫描仪测量的基本原理，阐述了基于三维激光扫描技术实现精细地形测绘的作业流程，通过某工程1：500地形图测绘实践，对地形图测量精度进行检验，总结了技术与实践经验，为三维激光扫描技术在更深层次的应用与研究打下基础，为相关工程实践提供参考。

1三维激光扫描技术

近年来，我国地质环境相对复杂，地质灾害频发。如何借助科学技术完善地质灾害治理，也成为相关工作者不懈探索的难题。在这一背景下，三维激光扫描测绘技术的优势进一步凸显。运用三维扫描测绘技术，地质灾害治理人员可以对地质灾害现场进行更为准确、全面的扫描。

1.1技术原理

三维激光扫描仪在我国属于一项较为新型的技术，是在测绘领域应用了GPS定位技术后，应运而生的一种先进技术，引起了国内各研究领域的全面关注。地面激光扫描仪的种类繁多，例如，美国的FARD三维激光扫描仪、德国的Z+F三维激光扫描仪以及我国的北科天绘三维激光扫描仪等。通过三维激光扫描仪，工作人员可开展激光测距工作，准确、及时地获取被测物体的表面三维坐标，查看物体的反射率，进而得到被测物体的立体模型数据，以及其他数据，用最短的时间还原被测物体的实际情况。三维激光扫描仪的运用，改变了传统测量工作中的单点测量方式，发展出一种能够对物体展开更精准测量的扫描方式。

三维激光扫描系统是由三维激光扫描仪、高清数码相机、GPS集成模块、高精度姿态测量模块、软件控制以及数据实时处理模块等多种先进技术集成的空间信息数据获取设备系统。三维激光扫描系统的工作原理是激光脉冲信号发射后，通过旋转棱镜实现激光脉冲信号在扫描范围内旋转，达到对被测物体不同位置扫描的目的，再通过探测器接收发射回来的激光脉冲信号，转化为系统可识别处理的点云数据信息，结合高清数码相机采集的纹理与实体边缘信息，经过软件处理实现目标模型输出。三维激光扫描仪局部坐标系原点为O，当激光脉冲沿水平轴旋转扫描出垂直扇面，以该旋转轴为坐标系的y轴，z轴为铅垂方向，按照右手螺旋定则建立坐标系x轴，实际作业时仪器只能测量出坐标原点O到目标对象反射面A之间的距离S，以及垂直角度α和水平角度β，将被测量量转换成局部坐标系中的坐标，即得到目标对象点的空间坐标（x，y，z）为：

x＝Scosαcosβ

y＝Scosαsinβ

z＝Ssinα （1）

1.2技术路线

根据地形图测绘生产实践，三维激光扫描技术在地形图测量中作业步骤主要分为外业、内页和成果输出；其中外业主要是测量前的现场探勘与野外数据采集，再将采集到的点云数据通过点云配准拼接、地物的提取与绘制、非地貌数据的剔除、等高线生成和地物与地貌的叠加编辑等内页处理，最后输出地形图产品。现场探勘在外业测量中十分重要，在山林地形中植被较茂盛，地势险要，造成通视距离短，GPS信号弱等问题，在数据采集前必须先对测区范围大小、环境进行勘察以确定辅助测量设备、扫描仪有效测程内站点位置、标靶放置位置，并对现场环境进行拍照，补充地形图编辑工作的原始资料。测站以及标靶位置的设置以保证整个测区完整覆盖条件下最少为准则，可以减少数据的冗余，提高后期数据配准和建模的精度。准备工作完善后，根据成图比例尺大小合理设置扫描仪的分辨率即可开始测区外业数据采集。三维激光扫描仪一站扫描的区域有限，测区完整的扫描数据需要多站数据配准拼接。在外业中扫描仪采集数据的方式不同，其内页中点云数据的拼接方式也不同，工程上常采用已知控制点的数据采集方法、基于标靶的数据采集方法以及公共特征点的点云数据采集方法，可根据测区具体情况进行选择，目前地形测量中最常用的数据采集方式是基于已知控制点的方法，即将测站点和标靶位置精确测定，统一到同一坐标系中，多测站的数据都以已知点坐标为基准进行解算，避免多站拼接的误差累积。工程上一般采用相对方式或绝对方式进行配准拼接。其中相对方式配准是指以某一测站的局部坐标系为基准，相邻测站的坐标系都转换到该坐标系统下，此方式的特点是只需要在不同站之间共有3个以上同名标靶，不需要标靶的绝对坐标，但统一后的坐标为相对坐标，且当连续传递的测站较多，会产生传递误差；绝对方式配准是指三维激光扫描仪与辅助测量设备相结合的方式，将测站的标靶绝对坐标通过全站仪等仪器直接精确测定，即直接将各测站转换到统一绝对坐标系下。此方式不产生传递误差，且整体精度均匀，在精密地形图测绘中常采用绝对方式配准。被测对象的地物、纹理以及边界信息由高清数码相机拍摄记录，三维激光扫描获取的地物细节信息过多，点位较密，直接利用软件生成等高线时会导致等高线紊乱。一般结合地物信息与点云模型剔除非地貌因素后按比例尺要求对点云进行抽稀，再导入数字测图软件中，自动生成等高线。再根据点云数据和参考纹理信息选取好地物点、特征点，用来检验地形图的绘制精度。

2三维激光扫描仪在各领域中的应用

当前，我国应用三维激光扫描技术的领域十分广泛，同时，不少三维扫描设备也在市场中畅销，广泛应用，应用价值十分突出。

2.1物体测绘领域

在建设大坝、水电站时，工作人员可借助三维激光扫描仪开展对物体的测绘工作，同时，这一技术在公路、铁路、桥梁、建筑物建设中的应用也十分常见。

2.2工程结构领域

在桥梁改建工程中，工作人员可借助三维激光扫描技术，完成对桥梁结构的测量，得到各几何图形的具体尺寸、空间位置与面积，进而为桥梁改建工程提供一定的指导。此外，这一技术在管道线路测量安装工程中的应用也较为常见。

2.3军事领域

三维激光扫描技术可被运用到军事领域的反恐行动中。例如，反恐人员可借助这一技术，强化对敌方的侦查与攻击，同时也可以运用这一技术完成对犯罪现场的实时监控。

2.4游戏开发与电影制作

在拍摄电影时，工作人员可借助这一技术完成对电影的场景设计，同时也可以借助这一技术，优化网络虚拟游戏的开发工作，例如，可以制作高质量的虚拟影像，提升玩家在游戏过程中的体验。

2.5灾害预防领域

工作人员可借助三维激光扫描技术，强化对灾害的预防工作，例如可借助这一技术，做好对地质灾害当地地形的勘察，以及对现场的检测。除此之外，三维激光扫描技术的应用领域还包括文化遗产保护规划设计、城乡规划建设等。

3工程案例

某旅游景区因为安全、便捷的需要，依靠陡崖设计一条快速应急通道，应急通道的入口设在陡崖下的斜坡上。崖壁的植被较少，斜坡的树木较多，坡度较大。采用传统的全站仪测图方法在斜坡的林木间采点测量效率低，且陡崖部分的地形无法测量。根据实地考察，利用法如三维激光扫描仪进行测图作业，FARO三维激光扫描仪具有扫描速度快、实时、高精度、主动性强、全数字化等特点，可直接查看全部扫描数据结果，导出三维视图。

3.1外业数据采集与点云拼接

通过目标区域地形勘察，三维激光扫描仪外业数据采集方式采用基于已知控制点的方式。通过已知的多个GPS点，采用七参数校正法在信号强、通视条件好的位置确定若干个工作基点建立控制网，用Leica全站仪测定测站点与标靶位置点的坐标并记录，使测站和各个标靶在同一个坐标系内，多次测站的坐标数据都转换到统一坐标系下，有效地避免误差累积。确定好数据采集方式后依据记录的测站和标靶的已知坐标，选择绝对方式来进行点云拼接处理，既提高点云拼接的精度，又降低误差的累积。得到三维点云数据后，将数据导入FARO配套的点云处理软件SCENE进行点云配准拼接，得到测区范围的三维点云模型。

3.2信息提取与非地形信息剔除

三维激光扫描仪是对整个测区无差别扫描，得到的点云信息包含了地表和空间中的所有信息，在山林地形中，激光会受到树木、植被等地物的遮挡影响，必须对信息进行提取，将非地形信息剔除。鉴于测区范围小，为保证地图测绘的精度同时方便后期规划施工，对斜坡上的植被和树木进行了清理，但崖壁上的部分植被无法清除。故将得到三维点云信息导入到Bently软件中，结合高清相机记录的地物、纹理信息手动进行剔除保存。Bently软件专业化程度高、内存小，操作便捷，三维处理能力强大，在三维建模与点云处理方面应用广泛。

3.3生成等高线

三维激光扫描仪扫描会得到海量的地形地物信息，直接利用点云信息构建TIN追踪等值线会因细节信息过多导致生成的等高线紊乱，常采用点云重采样、均匀抽稀、特征抽稀等方式进行抽稀处理，导入到数字成图软件中生成等高线。

3.4地形图成果

CASS地形成图软件是南方数码基于Auto CAD平台的数字化系统，在工程测量中广泛应用。将地物图形与等高线图形进行叠加和编辑，对局部缺失、不光滑的等高线结合高清照片与点云数据进行手动修改。得到精细地形图后在地形图上进行应急通道设计。

4地形图精度验证

为了验证地形图的精度，在山林地形中地物特征不明显的情况下，在三维激光扫描仪的扫描区域内指定地点摆放球形棱镜进行精度检核。棱镜坐标在所建立控制网下采用Leica全站仪测定，提取点云模型中的棱镜坐标进行对比。根据《1：500 1：1000 1：2000外业数字化测图技术规程》（GB/T14912—2005）规定点位误差不超过±0.25ｍ，即满足1：500比例尺测图要求。得到的点位误差都在±0.25ｍ的误差范围内，满足比例尺精度要求。

5结语

本文在详细阐述了三维激光扫描技术在地形图测绘的测量原理和作业流程。通过在山林地形中测图实践，总结项目实践经验有：1）在植被茂盛的山林地带，务必仔细勘察地形，带好辅助测量设备，提高工作效率；2）在点云处理时，对险要地势地貌应充分结合点云模型和高清照片，准确仔细地将地物区分，剔除非地形信息；3）要熟练掌握对配套软件的操作，能高效地提高内页处理效率。通过本次实例实践，为三维激光扫描技术在地铁隧道监测、建筑物立面等更多领域测量的应用打下基础，为相似工程实践提供案例参考。

参考文献：

［1］　郭江宁，陈年青，孙灏.基于三维激光扫描的立面测量研究［J］.城市勘测，2020（2）：87－90.

［2］姚艳丽，蒋胜平，王红平.基于地面三维激光扫描技术的滑坡模型监测与预测［J］.测绘科学，2014，39（11）：42－46.

［3］郑贤泽，朱艳军，陶旭.三维激光扫描技术在地形测量中的应用分析［J］.城市勘测，2021（1）：106－109.

［4］张伟，汤发树.三维激光扫描技术在盾构隧道钢结构安装测量中的应用［J］.测绘通报，2018（S1）：75－78.

［5］刘永锋，李翅，黄兵杰，等.移动三维激光扫描轨检小车在地铁盾构隧道椭圆度检测中的应用［J］.城市勘测，2020（6）：119－122.

［6］宋云记，王智.利用三维激光扫描技术进行地铁隧道施工质量管控及病害检测［J］.测绘通报，2020（5）：150－154.

［7］赵强，王涛.一种三维激光扫描技术隧道整体变形分析方法［J］.测绘科学，2021，46（2）：99－105.

［8］张训虎.三维激光扫描在古建筑安全检测中的应用［J］.测绘通报，2020（S1）：155－158.