三维激光扫描仪在国土测绘工作中的应用

秦政

摘要：三维激光扫描仪又称高精度测量技术,是一种高速激光扫描技术在大面积的目标表面上快速获取高分辨率云数据,三维激光扫描技术具有速度快、动态主动、高密度高精度、数字化特点。三维激光扫描仪的工作过程主要分为外部数据采集和内部数据处理两部分,使用三维激光扫描仪主要是为了获取国土地形,单位时间内土壤变化和坡面安全监测。

关键词：三维激光扫描仪；国土测绘工作；应用；

前言：三维激光扫描技术在国土资源测绘中可以应用于地形测绘、地质灾害监测、山区测绘等方面。可渗透到复杂的现场环境中实现各种大规模自动化、全集成的非标物理三维数据，在工作过程中对三维激光扫描技术有一定的了解。

一、三维激光扫描仪的应用现状

以三维激光扫描仪的诞生，代表的三维激光扫描技术继GPS技术之后大地测量和制图领域的又一次技术革命。该技术是自动高精度立体扫描技术的改进,三维激光扫描仪克服了传统测量方法的局限性,利用非接触式主动测量直接获取高精度的三维数据,可以全天候扫描任何物体并迅速将现实信息，转化为可处理的数据。该技术具有扫描速度快实时性强,工作时间短,易于使用输出格式可以直接与CAD,三维动画等工具和软件界面相关联。目前,在工程环境测试和城市建设等领域有成功的应用实例,如三维剖面测绘大规模地形图制作,灾害评估城市三维模型创建复杂建筑的建造，大型建筑物的变形监测。随着三维激光扫描测量、三维建模和计算机硬件环境的不断发展,其应用领域越来越广泛,如制造文物保护、逆向工程制作等,逐步从科学研究到人们日常生活的领域。

二、三维激光扫描仪原理

三维激光扫描仪由高速精确的激光测距仪组成,该激光测距仪具有一组反射棱镜可以引导激光，并以均匀的角速度进行扫描。工作方式是激光测距仪主动发射激光并接收从自然物体表面反射的信号,以便可以测量站点与每个扫描点之间的距离,结合水平和垂直扫描方向获得每个扫描点站点的相对空间坐标,根据扫描平台的不同各种三维激光扫描仪可分为地面激光扫描系统,机载激光扫描系统,采用地面三维激光扫描仪其工作原理是三维激光扫描仪发射激光脉冲信号,在物体表面漫反射后以几乎相同的路径反射回接收器可以计算，当日基准点与扫描仪之间的距离控制编码器，每个激光脉冲进行横向扫描和纵向扫描以进行同步观测角度测量。三维激光扫描通常是仪器的用户坐标系轴位于扫描平面上,轴与扫描平面上的轴垂直轴获得垂直于扫描平面的坐标。

三、三维激光扫描仪在国土测绘工作中的应用

设置目标来收集数据是实验的第一步也是成功的主要保证。通过在设置目标研究获得目标中心的不同形状,大小和位置以达到最小化目标形状，其他影响精度的因素的目标。提取目标中心将作为分析模拟精度的基础。在实际中考虑到激光扫描的特点和整个站点的可见性,根据控制网中控制点的分布围绕控制点设置目标，目标前后共设置目标可以持续更长时间。根据现场研究项目被设计为一个封闭的有线网络。其中控制网的平面部分采用单独的坐标系,并给出坐标值考虑到靶场的实际地形,无法进行液位测量因此控制点的高度采用精确的高三角法。

使用三维激光扫描仪采集激光点云数据,需要在测量领域进行实地环境研究,确定扫描仪和反射器的目标点位置,不仅要保证每个扫描站最终获得的数据反映整个测量区域,最大限度地减少盲点还要选择最少数量的激光测量站,以减少原始数据量加快内部数据处理。扫描每个物体后,需要对三到五个目标点进行详细扫描,每个站点重复上述步骤以获取数据的激光点云和反射器的目标大地坐标为身体的每个区域,可以在软件中预处理。由于被测物体的不规则性，空间视觉的阴影激光点云中的坐标转换，校准通常无法一次性获得所有空间数据,实际上需要多个站点在不同角度和不同位置进行扫描。各台站采集的激光点云坐标系，由激光扫描仪地面站中心的坐标位置、水平面和初始扫描方向决定。不同站点的点云具有不同的坐标点云连接的任务，寻找站间坐标系的转换或使用站间坐标系作为共同坐标系。其他站点收集的数据被转换为坐标并合并到同一工程文件或地理坐标中。

获取目标中心的精确坐标通过使用重心方法提取目标中心,当效果更好时目标点上的云分布相对均匀。被测目标云分布不均匀并且可以根据被测目标的几何特征找到中心几何特性来分析目标。当仅使用最远的点计算目标中心时,当目标从仪器中移除时点的数量较少。使用目标中心计算细分目标数据，按反射强度值进行划分使用几何方法计算每个中心段,每个中心段计算目标中心然后将其平均到最终结果,测量点之间的距离误差，随地平线的增加而增加精度，各种方法的精度基本相同一般将本文的几何方法与高精度的距离进行比较。计算过程简单的重心法是最快的,反射称重和分段反射而几何形状则更复杂。根据具体要求可以选择特定的方法，获得更高的距离精度与最新的高精度距离处理方法相比具有高精度距离一种处理方式。

当激光点云数据和遥感图像数据通过传真传输时,可以在此基础上清晰地绘制房屋、道路、水系、植被陡坡等地形要素。进一步扩大现代制图和制图技术在土地测绘中的应用,并通过精确然后对地平线和高度进行编辑和符号化以形成最终的数字线性地图。在使用三维激光扫描之前使用传统的绘图方法进行了其他测量,并且它们之间的数据质量得到了很好的研究。如果使用传统的绘图方法在类似大小的收集了大约10,000个三维点,则需要两个或三个工作组同时工作大约三个工作日并且只能大致测量区域,例如采石场。使用三维激光扫描只需要三到四个小时,一组工作人员收集近十亿个三维点并且它们之间的数据质量低几个数量级因此结果自然会大不相同。

结论:

三维激光扫描仪不仅具有工作周期短、数据采集丰富、施工部件表达精细等优点,而且建模精度，符合大多数建筑物建模精度要求。智能和人性化的现代制图方法提高制图工作的效率和准确性。在后续的研究中仍有许多问题值得进一步研究,如星际匹配对精度的影响,开发用于计算机自动提取目标方法等。

参考文献

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