王建华 胡小峰

(巴州新矿测绘中心,新疆库尔勒 841000)

三维激光扫描仪在地形测量中应用

王建华 胡小峰

(巴州新矿测绘中心,新疆库尔勒 841000)

扫描系统的发展起始于196O年代左右,早期的扫描仪主要应用于隧道、井、以及桥梁的对齐操作、变形测量、以及工程测量。随着大量的研究开发以及计算机设备的发展,直至 199O 年代中期才广泛应用于地形测量。三维激光扫描技术能获取目标的空间信息,具有大面积、高自动化、高速率、高精度的测量的特点,采集过程安全简单、节省人力并且具有强大的数据理能力,几乎可以提供任何位置、任何细节的信息,作业成果完全能满足高寒地区地形测量。

三维激光 扫描仪 测绘 应用

RIEGL VZ-4000三维激光扫描技术是现在国际获取空间多目标三维数据最先进的长距离影像测量测量技术，由于它是将传统测绘系统的测量扩展于到了面测量，能够深入到复杂的空间和现场环境中进行扫描测量，直接将各种复杂的、大型的目标物体所扫描的点云数据完整地输入到计算机中，然后构出目标物体。

1　RIEGL VZ-4000扫描系统组成

RIEGL VZ-4000是地面型激光扫描系统的固定式三维激光扫描仪，其扫描系统组成包括以下:

(1)超长测程。高速、高分辨率提供高达4公里的超长测程以及竖直60°，水平360°的广阔视场角范围。采用不可见的对人眼安全的一级激光。

高精度以及可信赖的超远测程是基于RIEGL VZ系列扫描仪独一无二的数字化回波和在线波处理功能，即使在沙尘、雾天、雨雪等能见度非常差的天气作业时，也能按需获取高精度测量及多重目标回波的识别。

(2)波形数据输出(可选的)。数字化回波信号，也被称为波形数据，通过VZ-4000获取用于进行波形分析。

(3)内置数码相机。内置分辨率为2060×1920 pixels(5M)像素的数码相机，自动曝光控制。数码相机视场范围为7.2°×5.5°(垂直×水平)可通过棱镜旋转获取覆盖整个视场一定数量的高分辨率的全景照片，与扫描测量成果相结合，创建三维数字模型，为地质、岩土、公路设计的调查提供相应的服务保障。

(4)内置双轴倾斜补偿和GPS。利用集成的GPS接收机(L1)或者外接GPS接收机，内置双轴倾斜传感器(补偿范围±10°，精度±0.008°)。

(5)内置数字磁罗盘。

(6)内置大容量数据存储。

(7)内置激光铅锤。

(8)外接电源。

(9)反射片。

(10)RIEGL软件包。

2　RIEGL VZ-4000扫描仪的基本原理

三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经目标表面漫反射后，沿几乎相近的路径反向传回到接收器，计算目标点与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量是仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，得P的坐标（如图1）。

图1　扫描仪三维计算示意图与公式

表1　操作模式

3　RIEGL VZ-4000扫描仪外业数据采集

外业数据采集采用自由架站的方法进行，即不输入扫描站的坐标和定向坐标，使用RTK或全站仪采集反射片的坐标。

外业数据采集包括反射片及控制点布设与测量、数据全景扫描和外业扫描精的控制三部分工作。

3.1反射片布设及测量

在外业数据采集时，需要在测站位置周围3米外7米内布设3个以上不在同一条线上反射片。由于扫描仪与被扫描目标所形成的夹角不同、分辨率不一样，夹角越小，分辨率越低;对于不同的扫描距离，点的精度也不同;另外还存在有障碍物不能通视的情况，因此有很多测站扫描的数据拼接到一起完成。为了拼接和数据管理方便，把反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认第一站站名为ScanPos001，那么反射片点名为K001-1、K001-2、K001-3。默认第二站为ScanPos002， 那么反射片点名为K002-1、K002-2、K002-3， 以此类推。使用RTK或全站仪测量反射片坐标。

3.2确定采样间隔和数字化回波信号频率

采样间隔和数字化回波信号频率设置很重要，采样间隔大，给数据处理精度造成影响;采样间隔小，则采集到的点云数据量庞大，给数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。扫描仪内设有扫描脉冲时间60和80。

数字化回波信号频率有 30 kHz 、50 kHz、150 kHz、300 kHz四种模式。通视条件好的情况下，保证相邻测站间有一定的点云重叠区域，通视条件不好，则应选择适当位置增加扫描站数，直至需要测量的目标全部扫描完成经验值配对表(表2)。

表2　经验值配对表

3.3外业扫描精度的控制

选择晴朗、大气环境稳定、能见度高、0℃-40℃气温的环境中扫描作业，减少大气中水汽、杂质等对于激光传输路径以及传输时间的影响;对于目标对象的透射或者镜面反射表面要做处理，防止丢失信号、弱激光信号对精度的影响;避免非静态因素的影响。例如:人、下雪、下雨、等等。

4　RIEGL VZ-4000扫描仪内业数据处理

RisCAN PRO是奥地利Riegl公司为RIEGL仪系三维扫描仪开发的软件，它具有强大的数据配准功能，能够将模型导出多种比较通用的数据格式。

外业扫描到的点云数据量非常大，既包含有用的数据，也包含车辆、行人、雪、雨等无用的数据，这些无用的数据，我们称之为噪点数据。这些点云数据必须要经过处理。从点云到测绘成果的实现包括扫描数据分区、反射片的选取、建立扫描站点云数据模型、点云拼接、坐标转换、数据抽隙、去噪点、格式转换、生成南方CASS坐标数据文件。

4.1扫描站数据分区

根据地形和精度的限制，本工程把测区扫描站分了18个区块。

4.2反射片的选取

一般在2D视图下，灰度模式中的点云数据中选取反射片，灰度值软件根据爆光度计算。在3D视图中拖入标记的反射片来检查标记的反射片位置是否正确-，若发现反射片选取偏离，可在扫描站中的TPL中删除改点，在3D视图中重新选择。为了拼接和数据管理方便，把点云数据反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认第一站站名为ScanPos001，那么反射片点名为TP001-1、TP001-2、TP001-3。默认第二站为ScanPos002， 那么反射片点名为TP002-1、TP002-2、TP002-3以此类推。

4.3建立扫描站点云数据模型

建模设定参数主要有三个:

(1)max plane error=0.02m、(设置最大平面的误差);

(2)max edge lenth=2m、(设置最大三角形边长);

(3)reference range=150m。(设置最站与站重叠长度或测程的一半)。

4.4点云数据拼接

把从各个扫描站上扫描得到的点云数据，找出正确的排列关系，使它们能够拟合成一个整体的点云数据，即把不同基准下的点云数据转换到同一基准下的点云数据，这个过程叫做点云数据拼接。其实质是把不同的坐标系下的点云数据进行坐标变换。点云数据拼接技术按过程分为，粗略拼接和精确拼接。

4.4.1粗略拼接

将不同坐标系下的点云数据大致转换到同坐标系下，为精确拼接提供出始值。通过点云数据反射片坐标TPL(socs)与RTK所测的直角坐标TPL(GLCS)进行点与点匹配。设置的容差和匹配点个数，如果无法匹配的时候首先检查容差设置和匹配点数量的设置，如果还不行，打开3D点云看选取的位置是否在所要选取的位置上，这个过程叫粗略拼。

4.4.2精确拼接

通过迭代优化一组坐标转换参数，实现拼接误差最小。设置的参数(设置搜索半径，半径大小根据粗略拼的结果来定;设置误差递减，幅度不要太大。打开多站点拼接命令，选取一个扫描站作为这个区块的基准后锁定，在拼接过程中一定要一站一站拼接。根据计算的结果，重复设置更小参数直至达到最优结果;检查点云数据，看无明显分层即可。

4.4.3点云数据拼接精度控制

点云数据的拟合处理，是不同坐标系统之间转换，转换误差主要是反射片的选取、控制网的精度、测量仪器的精度。

测量控制网精度控制在cm级，扫描站之间可通视的情况下，可以选择点拟合特征点的方式拼接，选取高精度的测量仪器和测量方法，可提高成果精度。

4.5坐标转换

首先需要删除TPL(prcs)里的所有点，之后将每一站TPL(socs)中的点计算后复制到TPL(prcs)，打开TPL(prcs)进行点对点匹配(坐标转换)。以下是各个区的坐标转换精度表;

(1)Correspong tiepingts(精拼坐标与RTK实测量坐标配对、坐标转换的总点数)

(2)Standard deviation(扫描点拼接后区块的中误差)

用RTK对18个区块进行高程内插检测，最小差±0.10cm，最大差±100cm，因为是高寒区允许误差为±120cm。满足地质矿产勘查测量规范要求。

4.6数据抽隙

在OBJECTS里面的POLYDATA中新建一个POLYDATA文件，然后再出现的对话框中选择所要合并的文件，并在设置中点击octree命令在increment栏中确定抽希的间隔距离，勾选Conbine命令合并选择的数据。如果认为所采集到的点云数据或者局部数据相对于工程本身过于密集，还可以对数据进行抽隙处理。

4.7去噪点

在点云数据采集过程中，由于车辆、行人、树木等因素的影响，我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱。利用这一特点可以将噪声数据剔除。打开精确拼接后的点云数据，通过正视图、侧视图等删除躁点;部分选取数据，点击terrian filter 按钮，设置vegetation剔除植被、mining-object剔除矿上上的物体、mining-points below terrain为剔除低于地面的点。在运行剔除植被之后，所有被软件认为是植被的点将处于选择状态，在这当中通常会有一些坡、坎上的点，手动选择需要保留的点。对点云数据进行检查把不参与生成等高线的点手动框选删除。

4.8MTA空间

理想状态下，激光将一束束发射，每一束激光发射和接受全部信号后，下一束激光才发射，但是由于激光发射频率和扫描距离之间的相互影响，常常当发射的第一束激光时，部分距离较远的回波还没返回到扫描仪后，第二束激光已经发射出去了，这时在第二束激光发射后，第一束激光才返回来和第二束激光返回来的回波将产生影响，需要手动区分二者。

在长距离扫描仪过程中，通常看到在扫描仪周围产生很多飞点，这些飞点并不全是噪点，有些点是由于MTA效应的影响产生的，需要手动的将这些点选择，然后点击工具栏上的“MTA Tool”工具，设置MTA ZONE值为2，将这些点划分到MTA ZONE 2中去，现这些点在远处显示成了真实的地物或者地表点。有时受到能见度的影响，扫描仪测程不能达到预期效果，这时选取后的点将在远处形成球面形状，这些点意为噪点可直接删除。不使用这些点，在数据处理时可当植被点或者噪点剔除。

············

4.9数据处理

拼接后点云数据在去噪处理时采用自动化和手工相结合的方式对误差影响不大。后续数据处理尽可能减少格式转化，基于点云数据的三维模型制作采用“测量——建模”模式。二维图件制作必须在测量对象的逻辑结构上进行制图。

4.1O 动画展示

RiSCAN PRO 软件画面中开启所欲制作动画的数据，于主要工作窗口按下右键，选择Create NewAnimation，即可进入产生动画设定画面。将主画面数据旋转至欲制做动画的角度，按下 Add Pose 键后即可设定为第一视角，以此类推设定后续视角，软件可计算出各点飞行距离，并可设定飞行时间、速度等参数，并可预视其飞行路径;参数设定完毕后设定影片大小及压缩格式即可产生动画档案。输出档案无需专业点云处理软件亦可于其他计算机上播放(使用Windows 系统软件内建的 Media player 即可)，此动画档的传输将有利于了解现场测绘的完整情形。

5　结语

三维激光扫描技术能获取目标的空间信息，具有大面积、高自动化、高速率、高精度的测量的特点，采集过程安全简单、节省人力并且具有强大的数据理能力，几乎可以提供任何位置、任何细节的信息，作业成果完全能满足高寒地区地形测量。

通过实践，发现地面三维激光扫描技术的普及也存在以下不足:

(1)数据采集过程当中受现场条件限制较多，如视场角、植被、地物，数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入。

(2)仪器设备价格昂贵，进口的基本都在200万元左右，现阶段一个生产单位完全由传统测量方式向三维激光扫描测量方式转型不太现实。

(3)仪器自身和精度检校困难，基准值求取复杂，精度不好评定。

(4)精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。

基于这些不足，提出三维激光扫描仪的发展趋势有以下几个方面:

(1)三维激光扫描仪国产化，生产单位能用普遍使用。

(2)点云数据软件处理公用化、多功能化。

(3)进一步扩大扫描范围，实现全圆扫描，获得空间目标点云数据。

相信随着技术的发展，企业生产成本的降低，三维激光扫描技术这种“所见即所得”的测量方式必将在道路工程测量、文物、模具、军事、航天、石化、医学、交通等领域得到广泛应用。

[1]张正禄,等编著.工程测量学[M].武汉大学出版社,2005.

[2]潘正风,等编著.数字测图原理与方法[M].武汉大学出版社,2004.

[3]徐晓雄,刘松林,李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘,2009(02).