地形测量中三维激光扫描技术的应用

王云飞

摘要：地籍测量是土地资源管理的重点环节，其以地籍调查为基础，通过适当的测量技术对土地位置、土地大小、土地权属界址点等进行明确，从而为土地管理及应用活动的开展提供数据支持。我国土地面积辽阔，地籍测量工作涉及的数据规模较大，增加了地籍测量难度，需要重视对测量手段进行优化和调整。三维激光扫描技术是地籍测量中一种常用的新型扫描技术，以高精度传感器为辅助，对土地资源进行立体化扫描，可以确保地籍测量数据的准确性。基于此，本文对地籍测量内容和三维扫描激光技术的应用优势进行分析，提出了三维激光扫描技术在地籍测量中的应用原理及策略，以期为地籍测量工作的开展提供参考。

关键词：地形测量；三维激光扫描技术；应用

引言

我国地籍信息现代化管理工作的快速发展，对地籍数据信息的获取和更新效率及成果质量提出了新的要求，传统单点式地籍信息获取和更新方法越来越难满足地籍数据成果快速生产需求。近年来，现代测绘技术得到了较大发展进步，同时给传统测绘方法及测绘仪器带来了较大提升，尤其是三维激光扫描技术的出现，改变了传统测绘的单点作业方式，其测绘成果具有更高的全面性，能够对被测对象进行更为准确完整的复现，在测绘领域得到了较为广泛的应用。在地籍测量方面，相较于传统全站仪结合 GNSS-RTK 作业方式，三维激光扫描技术能够以区域扫描的形式对待测区域进行全方位、高密度三维点云数据采集，通过对所获得的点云数据进行精简、抽稀、配准等处理，结合专业三维建模辅助工具，对三维点云进行重构处理，构建研究区高精度实景三维模型，实现地籍成果的快速、高质量生产更新。

1三维激光扫描

三维激光扫描仪的作业原理与全站仪作业原理相似，通过向被扫描对象发射一束激光信号，利用信号传播时间计算设站点与被扫描对象的距离，综合利用扫描仪内部的角度测量模块，推算被扫描对象的三维空间坐标。不同于全站仪单点数据采集，三维激光扫描是利用扫描相机对视野范围内的所有目标进行快速高密度点云数据采集，每个点云数据即对应该位置的三维坐标，相较于传统作业方式，数据采集效率得到了较大提升。利用三维激光扫描仪进行外业数据采集时，所获取的点云数据的基准参考系为扫描仪仪器坐标系，该坐标系的定义为：以扫描仪激光发射中心为坐标系原点 O，扫描仪激光发射方向为 Y 轴，以垂直于扫描基准面方向为 Z 轴，遵循右手直角坐标系原则，以垂直于 YOZ 平面向右为 X 轴。

2三维激光扫描技术在地籍测量中的应用优势

2.1系统类型

三维激光扫描测量也被称为实景复制技术，能够利用三维的方式对测量场景再现和还原，并将收集到的信息及时输送给测量人员，从而提升测量人员的数据获取效率，在当前地籍测量活动中有着广泛的应用。三维激光扫描技术包括机载型、地面型及手持型三类不同的扫描系统，机载型通常利用飞行器测量，通过飞行器携带的相机获取影像信息，利用几何原理，推算出采样点的坐标信息。地面型包括相机、扫描仪、旋转平台、计算机系统等，可以在车上装载扫描系统，对地籍信息进行移动扫描，或利用3D扫描仪进行固定扫描。手持型是测量人员通过手持的方式进行信息测量，在建筑及洞穴测量活动中应用较多，具有方便携带的优势，能够对被测物体的面积或体积进行计算。

2.2应用优势

第一，三维激光扫描技术使用较为简便，不需要花费过多的时间学习，主要包括地面激光扫描及空中激光扫描。在地籍测量工作中，很可能面对较为复杂的环境，增加地籍测量的难度，因而对扫描技术的要求较高，地籍测量人员在学习过程中要消耗较多的时间。而三维激光扫描技术则省去了学习时间，对个人技术要求不高，能够适应多种环境下的地籍测量工作要求。第二，保证地籍测量数据的精准度。三维激光扫描技术的测量精度较高，避免了人为误差带来的影响，同时也不会出现表面近似误差问题，以均匀的方式设置测量点，可以为地籍测量活动的开展打下良好基础。第三，扫描的范围较广泛，可以在短时间内获取区域内的所有地形数据，数秒内便可以采集上万个信息点，不会受地籍测量范围的限制，也能减轻测量人员的工作量。

2.3内业处理

RiSCANPRO 在实施 RIEGLVZ-1000 的数据分析环节，其数据的显示方式有很多种，如二维形式、三维形式、360°全景形式等。应根据项目的实际要求，应用与之匹配的显示形式。针对特殊部位，如沟壑、河道、学校建筑、医院建筑等，能够使用不同样式的符号对其标记，标记好之后进行场景导出，导出格式一般都是DXF，然后参考补充测量的相关参数，便可以为地形图的绘制提供更加精确的数据资料。

3实际应用

3.1方案策划

假如使用极坐标方式，结合碎步点的距离标准，不能超过计算范围的网格距离。同时，由于地形起伏不定，需要加设更多的点，那么全部测量范围中需要布设4 000 点以上，如果忽视测量需要的时间，每个工作日收集400~500点，那么仅碎步的测量就需要大于7 d的时间，从工程进度层面分析，难以符合甲方的要求。所以该项目使用三维激光扫描的方式。

3.2外业实施

为优化作业效率，工程的测量团队分为两组，由第一组实施三维激光扫描操作，布设 36 个站点，采用RieglVZ400 仪器，对测量范围内实施扫描。各站点停留扫描10 min，保障测量作业不出现遗漏问题。由第二组管控检查点与控制点的排布与测量。在测量区域中，均匀设置 16 个控制点位（K1~K16），测量区域的南边与西边设置10个检查点位（J1~J10）。在信号接收良好的测区，利用GPS控制点，用实时动态载波相位差分技术（Real-Time Kinematic，RTK），进行地形图测量。测区存在极个别信号覆盖不到的地区，用RTK测量方法，把导线点引至该地区外围，然后用全站仪进行测量。

3.3三维激光扫描技术的精度分析

项目的地形测量范围内，为确保地形图能够更加精确，选取5个监测点，使用RTK技术与三维激光扫描的结果对比分析，对比结果如表1所示。当监测点的数值小于20，用误差的计算平均值取代误差，大于20后，直接用误差值统计，该项目测量范围的地形比例标准为1∶2 000，结合平面误差标准值不大于±1.6 m，高程误差标准值不大于±0.67%，结合表1数据分析，该项目地形图的精准度满足标准需求，证明三维激光扫描设备在地形测量项目中的使用效果很好，精度可靠，值得被广泛应用。

3.4测量准备

通过对利用三维激光扫描技术获得的地籍图进行精度评定可得，本次地籍测量作业所获得的地籍图界址点平面中误差、高程中误差、地物间距中误差分别为 0.035 1 m、0.039 2 m、0.043 4 m，均小于 0.05 m，满足《国家基本比例尺地形图更新规范》《地籍测绘规程》等规范中的不大于 5 cm 的要求。由此表明：采用三维激光扫描技术，对测区地籍要素进行外业数据采集工作，获取测区高密度三维点云数据，然后利用专业建模软件对点云数据进行重构建模，并进行地籍矢量化处理，所获得的地籍图成果精度相对较高，满足规范和生产使用要求。三维激光扫描技术为大比例尺地籍测量提供一种高效率、高精度、高性价比的新型测量方法，从多个方面提升了地籍测绘效率，降低了地籍测绘工作强度。

结语

综上所述，地形测量是目前项目建设实施中的关键一步。我国幅员辽阔，地势多变，地形起伏趋势很大，伴随着建筑行业的不断发展，高层建筑也在逐年增多。基于这些原因，地形测量工作的难度也越来越大，应用三维激光扫描技术，能够在尽量短的时间内获取海量的三维空间参数，并且该技术操作便捷、可靠性高、具备实时性与智能性的优势，在地形测量项目中值得被广泛应用。

参考文献

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