李裕聪

摘 要：三维激光扫描技术作为测绘界的最新技术，在国内的应用还处于起步阶段。本文介绍了三维激光扫描测量技术的原理和工作流程，通过三维激光扫描测量技术在航道地形测量中的运用，对此进行了总结和展望。

关键词：三维激光扫描仪；航道；地形测量

中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）08-0040-03

1916年，著名的物理学家爱因斯坦首先发现了激光的原理；1960年代，红宝石激光器和半导体激光器相继诞生；1964按照我国著名科学家钱学森的建议将“光受激辐射”改称“激光”，确定了激光在我国的标准称呼。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，从而引起了测绘仪器行业科研人员的广泛关注，激光技术在1980年代开始运用在距离测量方面。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展，激光测量技术逐步由点对点的激光测距发展为采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。1990年代起，因为三维激光扫描系统在各项性能快速提升及价格逐步下降和应用需求的推动下，三维激光扫描技术在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。近几年，我国的中海达等一些测绘仪器公司也开始具备设计和生产中高端三维激光扫描测量系统的能力，也生产出性能接近国外知名品牌的三维激光扫描仪，价格却只有进口产品的2/3，硬件性价比突出。但是在配套数据处理软件的研发上还没能迎头赶上，暂时只能使用价格昂贵的外国软件。

1 三维激光扫描测量技术的原理和工作流程

三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology）是用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标（即：点云（Point Clouds）），然后由获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术。三维激光扫描的工作过程主要包括：

（1）数据采集；数据采集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。

（2）数据预处理；数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及拼接等。

（3）几何模型重建；模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。

（4）模型可视化；成果输出。

概括起来，实际上就是数据的外业采集和内业处理两大部分。

2 三维激光扫描测量技术在航道地形测量中的运用

2.1 测区概况

一般航道地形测量的范围是河流两岸水沫线以上到河槽岸顶的长条带状地形，地表或多或少地分布有青草、蔬菜、玉米、竹、树等植被。本次测量的河段正符合了这样的特征，在测量前，已经用GPS-RTK进行了图根点的布设。

2.2 外业仪器简介

数据的采集是通过三维激光扫描仪进行三维激光扫描，获取测区地形的三维数字模型。在本项目中，采用徕卡HDS8800三维激光扫描仪进行外业数据采集。这款仪器是瑞士徕卡公司出品的一款高端三维激光扫描仪，此款仪器集便捷性、易用性及高效性于一体，独特的超长扫描距离使其可以广泛用于地形、矿山、滑坡监测等领域；仪器内置有7000万像素的高分辨率相机，扫描同时可拍摄高分辨率全景照片，并将其渲染到扫描数据上，所以点云数据为真彩色点云数据（格式：X，Y，Z，R，G，B），而无需其它相机拍照以及校准。完整的图像细节使内业的数据分析更轻松、更高效。

2.3 内业软件简介

本项目使用HDS8800配套的专业数据处理软件徕卡Cyclone进行数据处理。

徕卡Cyclone软件是三维激光扫描领域内的主流软件系统，该软件是HDS扫描仪的配套软件。用户使用该软件可以高效率地控制徕卡测量系统的多种HDS扫描仪。使用该软件用户可在工程测量、制图、及各种改建工程中处理海量点云数据。软件的主要特点包括：

（1）可对扫描仪的采样密度、内置照相机曝光和分辨率等参数进行设置，并控制扫描仪完成点云数据采集；

（2）实现点云拼接、分块处理和海量数据管理功能；

（3）自动构网和生成等高线，可输出二维或三维图，线画图，点云图，三维模型，可输出DXF，PTX，PTS，TXT等多种数据格式；

（4）结合徕卡公司的Cyclone软件的点云发布和TruView网络浏览工具，可实现真彩色点云数据的网络共享。

2.4 外业数据采集

仪器设置在之前已经布设好的图根点上对和对岸进行三维激光扫描， HDS8800仅仅只用了约30分钟就完成了360度一圈的高密度扫描，这样的数据采集速度往往会让第一次接触三维激光扫描仪的人感到很震撼。本项目需要真用到的范围是河对岸1.5公里长的约60米宽的水边区域。

2.5 点云数据的处理

因为是一次性扫描完成数据采集工作，所以内业没有拼图的工作内容。野外地形的点云数据采集完成后，即利用Cyclone软件将点云数据导入联想公司出品的便携式图形工作站进行进行去噪、抽稀提纯处理，也就是把在扫描测量时，因人、飞鸟、车船等移动物从扫描视场中经过而产生的无效数据、测程超出测区的产生的冗余数据等噪声数据过滤掉。Cyclone软件提供了多种过滤模式：距离过滤、角度过滤、离散点过滤、边缘过滤、面过滤等。抽稀提纯则是更精确的去噪过程，在软件中参考HDS8800扫描仪内置相机所拍摄的照片把最能真实反映地形地貌的特征点抽取出来。经过这一步骤，数据包的体积已经从开始的几个吉字节变成了几十兆字节。和用传统全站仪测量法得到的地形数据差不多了，可以导出为南方CASS成图软件使用的DAT格式文件进行地形图的编绘，从而得到该测区的地表数字地形图、和等高线等成果。其实，Cyclone软件本身也有生成DEM的功能，但因为界面是英文的，使用起来不如南方CASS方便。

经过CASS编绘后，如图4，将扫描数据生成的地形图成果与几年前用全站仪按传统测量方式获得的地形图成果进行叠加比对，发现二者在平面位置以及高程上都吻合的很好。

3 总结与展望

比较三维激光扫描仪和传统的全站仪跑镜测量的作业模式、工作强度和成果精度。利用三维激光扫描技术测绘地形图，不需要照准合作目标，可以自动、连续、快速地获取目标物表面密集采样点数据，从而提高了测量的效率，使相关外业测绘流程大大简化，外业人员的劳动强度大大减少，外业工作时间大大缩短，大部分时间转为内业在软件中对扫描数据的处理，内业处理的自动化程度也显著提高。扫描仪获取数据的成图精度可以达到1：1000（植被影响小的情况下可以符合1：500）的地形图的要求。在三维激光扫描仪在航道地形测量中的应用实践中，也发现了一些问题：

（1）这种测绘方法对地形地物描述细致，但也造成了采集的数据包体积过于臃肿，对进行数据处理的计算机的硬件配置要求比较高；

（2）目前有一个比较致命的缺陷：容易受地表植被影响，与全站仪相比测量成果的高程精度相对低一些，甚至不能正确反映测点的实地高程；

（3）硬件价格已逐步“平民化”，但软件价格还很昂贵。这也限制了三维激光扫描测量技术的普及和应用。

三维激光扫描技术作为测绘界的最新技术，在国内的应用还处于起步阶段。还需要逐步的摸索，需要总结工程解决方案并形成一定的标准和规范；随着三维激光扫描技术的不断发展和商业化的成熟，这个新技术的应用领域和范围也必定会不断扩大，有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]张会霞，等.三维激光扫描数据处理理论及应用[M]，电子工业出版社，2012

[2]陈家璧，等.激光原理及应用（第3版）[M]，电子工业出版社，2013

[3]谢宏全，等.地面三维激光扫描技术与应用[M]，武汉大学出版社，2016

[4]谢宏全，等，基于激光点云数据的三维建模应用实践，武汉大学出版社，2014

[5]谢宏全，谷风云 等. 地面三维激光扫描技术与应用，武汉大学出版社，2016