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摘要：三维激光扫描仪在地形测量中的应用，有效地克服了传统的测量局限性，其能够主动测量和非接触测量，并且直接获取高精度三维数据，具有实时性、准确性、扫描速度快以及全数字化和高精度等特点，应用效果较好。本文探讨了三维激光扫描仪在地形测量中的应用。
关键词：三维激光扫描仪；地形测量；应用
一、三维激光扫描仪工作原理
三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。
按照扫描平台的不同三维激光扫描仪可以分为：地面型激光扫描系统、机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统。本文工程中使用的为地面型三维激光扫描仪，其工作原理为：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P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。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。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。获得P的坐标。
整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要[2]。
二、三维激光扫描系统测量原理
1、测距原理
（1）三角测距法。三角测距法的测距原理是：利用平面三角形的几何关系来求得扫描中心与目标物体表面之间的距离。激光光源的发射点和CCD摄像机的接收点位于基线两端，并与目标物体表面反射点构成三角形平面。
（2）脉冲测距法。脉冲测距法的测距原理是：由发射机向被测目标物体发射一束激光脉冲，激光脉冲发射到目标物体上，其中部分激光反射到接收机被接收器接收。
（3）相位测距法。相位测距法的测距原理是：由发射器发射出一个携带正弦波的光束，再通过接收器接收经被测目标物体反射回的携带正弦波的光束，只需要测量调制到发射器上的正弦信号与接收器解调出来的正弦信号的相位差，通过此相位差可以计算出要测量的距离。
以上3种测距方法各具特点，根据测量距离与测量精度的关系，适用于不同的领域。三角法测距的测量距离最短，但测距精度最高，适合近距离精密测量；脉冲法测距的测量距离最长，但测距精度较低；相位测距法具有较高的测距精度，适用于中距离测量，但在激光扫描系统中应用较少。
2、测角原理
（1）角位移测量原理。激光扫描系统的测角方式与常规测角仪器不同，是根据激光光路的变化来求得扫描角度。为了实现对激光扫描系统的精确定位，采用步进电机来实现光路与目标物体角度的相对变化，通过步进电机的细分控制技术，获得精确的步距角。
（2）线位移测量原理。线位移测量是通过CCD摄像机测量激光器发出的光束与目标物体表面区域形成的相对位移量以及激光器与目标物体的相对距离，来反求出扫描的角度值。
3、扫描方式
（1）主动扫描方式。主动扫描方式是指被测目标物体与摄像机固定不动且摄像机视角可以覆盖整个目标物体，通过电机或旋转棱镜的转动实现激光光源的运动，使光平面对目标物体进行扫描。
主动扫描方式可以实现无导轨的固定曲面测量，适用于便携式测量系统。但由于光平面与摄像机的相对位置是不断变化的，因此，标定环节需要建立多个坐标系，产生误差较多，难以保证测量的精度。
（2）被动扫描方式。被动扫描方式是指保持摄像机和激光光源投射的结构光的相对位置固定，利用导轨或者转台去带动被测物体来实现它与光平面的相对运动。这种扫描方式由于摄像机和光平面的位置相对固定，因此传感器的外部参数只有一组，便于实现标定。由于只需要建立一个坐标系，各个光平面之间的关系可以通过导轨和转台的运动方程来约束和确定，所以标定过程相对简单，产生的误差较小，测量精度较高。
三、三维激光扫描仪在地形测量中的应用
1、采集数据
用三维激光扫描仪对地形进行测量，并用全站仪对控制网进行布设。在此过程中，测角的精度选定为3″，同时测距的精度自±3mm+2ppm左右。本文所研究的三维激光扫描技术测区，处于某市开发区地带，扫描区域地形比较平坦，但是结构相对比较复杂，地面杂草、植被较少，而且人流量较小。
（1）布设控制网。测区范围内独立布设控制网，其平面坐标为1000，1000米，高程500米。在测区范围内，经全站仪测边、测角，得到控制点坐标，并且利用全站仪三角高程获得控制点高程。
（2）三维扫描。地形测量过程中，扫描仪及相关设备需在K1点上，而且在测区范围内合适点安装三个不在相同直线的蓝白标靶，并将其中的蓝白标靶安装在控制点k5处。同时，将电源、扫描仪连接在一起，并且将电源开关打开，让仪器自检；对扫描仪、笔记本之间的通讯进行记录，然后启动Cyclone软件，并在此基础上建立工程文件、数据库，将扫描仪连接好，设置角度范围，拍摄扫描区域。在参数设置后以后，对该地区进行扫描，准确定位控制点上的标靶，并对标靶精细扫描；当上述所有过程完成以后，将扫描仪转架到k3位置，然后利用相同的方法进行扫描。
2、数据处理
（1）点云数据拼接。点云拼接是多个测站点云数据的整合，是基于扫描仪不同坐标系统转化统一的过程。点云拼接方法有：基于连接点的拼接；基于标靶的拼接；基于控制点的拼接。
（2）点云数据预处理。点云数据预处理过程包括：点云去噪和平滑，点云抽稀压缩，点云空洞修补等。这些过程都可以通过Cyclone和Geomagic软件完成。
3、绘制地形图
（1）转换坐标。实践中可以看到，点云数据坐标以及高程的获得，均建立在扫描仪坐标系统上；地形图采用独立测量坐标系，绘制点云数据地形图之前，应当转换平面坐标、高程。同时，还要将三维扫描仪应用过程中所获得的点云数据坐标系，有效地转换至独立测量坐标系。
（2）生产等高线。第一，点云采样。点云数据量非常的大，本身研究过程中所采集的点云数据大约在14万个左右。以曲率采样为例，设定一个百分比值，利用软件采样最小二乘法对曲面曲率进行计算，然后依次对所有曲率进行计算；根据曲率大小对区间进行划分，并对点云精简删除，以此来获得百分比、点云数值之间的乘积点值。
第二，绘制等高线。将采样所得的点云数据有效地导入cass之中，并在此基础上构建DTM模型，然后对等高距进行优化设置，采用cass技术软件，即可自动生成等高线，
4、验证精度
实验测区范围内，有8个检核点均匀地布设在一起。在扫描过程中，检核点位置需安装蓝白标靶，利用全站仪获得的8个检核点平面坐标、高程与检核点点云转换后坐标数据，对比分析后，可以对城市地形图可靠性进行检验。三维激光扫描仪及相关配套设施的应用，可以准确获取检核点平面坐标、全站仪获取点平面坐标差值，其绝对值最小可达0.005米，最大值也只有0.024米，二者求平均值大约在0.012米左右；对于高程差值绝对值而言，其最小值大约在0.006米左右，最大值大约在0.029米左右，其平均值在0.018米左右。三维激光扫描仪转换后的数据误差，主要是因为控制测量产生的误差、坐标转换过程中的误差以及扫描仪系统产生的误差等。通过比较，采用三维激光扫描仪及相关配套技术设备以后，可有效满足城市地形测量需要。
结束语
综上所述，三维激光扫描仪测量技术给传统测绘带来了一股清风，是数据测图史上又一次创新进步，相比传统的地形测量具有效率高、表现力强、测量细节丰富，地形、地貌一次测量完成、并同时获得影像模型，自动得到DEM数据，且成果形式多样，可以满足不同人员对数据的需求，同时还具有智能化，兼容性强等特点。相信随着科学技术的不断进步，在企业生产成本最低化，效益最大化的时代背景下，这项继GPS之后的高端测绘技术在地形测绘、道路桥梁测绘等领域具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]潘正风等编著.数字测图原理与方法，2016.9.
[2]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，2017.6.