【技術(shù)】三維激光掃描技術(shù)在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用

【摘要】三維激光掃描技術(shù)具有使用方便、精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域測(cè)繪工作中，尤其在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用大大減弱外業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高外業(yè)工作效率。本文對(duì)三維激光掃描技術(shù)原理進(jìn)行分析，以3D 激光掃描儀為例探討其在地籍測(cè)繪中的具體應(yīng)用，為其在地籍測(cè)繪中更好的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù); 地籍測(cè)繪; 工程測(cè)量

三維激光掃描技術(shù)在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用，主要通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)、掃描空間位置，分為手持型激光掃描儀、機(jī)載型掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)，本文探討的3D 掃描儀即為地面型激光掃描系統(tǒng)的重要組成部分。

一、地籍測(cè)繪

當(dāng)前我國(guó)地籍測(cè)繪立足權(quán)屬調(diào)查，目的在于獲得與表達(dá)地籍信息，涉及測(cè)量控制地籍、調(diào)查地籍要素、測(cè)量地籍要素等諸多內(nèi)容。為保證測(cè)繪工作效率，開(kāi)展地籍測(cè)繪工作時(shí)，應(yīng)注重遵守從高級(jí)到低級(jí)、由整體到局部以及先控制后碎部的原則。同時(shí)，我國(guó)地域遼闊、地籍測(cè)量工作量大，因此，應(yīng)用專業(yè)技術(shù)，不斷提高地籍測(cè)繪工作質(zhì)量及效率，是國(guó)家職能部門關(guān)注的重點(diǎn)。三維掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)大量的采集，并掃描各種復(fù)雜的環(huán)境，采集不規(guī)則、復(fù)雜程度高、大型的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型的構(gòu)建，將其應(yīng)用到地基測(cè)繪工作中，有助于更好地掌握待測(cè)目標(biāo)的地理要素信息，以及地塊權(quán)屬界線的界址點(diǎn)坐標(biāo)，為制定相關(guān)的策略提供重要依據(jù)。

二、三維掃描技術(shù)的工作原理

三維掃描技術(shù)用于確定被測(cè)量對(duì)象的三維坐標(biāo)，包括測(cè)距、角位移、掃描以及定向等內(nèi)容。

( 一) 測(cè)距。利用三維掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)距時(shí)相位法、脈沖法、三角法較為常用，其中相位測(cè)距主要通過(guò)分析、計(jì)算在被測(cè)距離上調(diào)制光信號(hào)往返時(shí)形成的相位差，借助時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)距離的計(jì)算，在醫(yī)學(xué)以及精密測(cè)量中較為常用; 脈沖法主要借助發(fā)射與接收脈沖的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量，該方法常被應(yīng)用在三維激光掃描設(shè)備中; 三角法主要利用幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量，此種方法適宜應(yīng)用在近距離測(cè)量中。

( 二) 角位移。角位移是三維激光掃描技術(shù)測(cè)量的重要內(nèi)容，實(shí)際測(cè)量中主要應(yīng)用線位移與角位移的測(cè)量?jī)煞N方法，其中前者主要利用由CCD 元件、直角棱鏡、激光發(fā)生器構(gòu)成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn); 后者利用由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的掃描儀實(shí)現(xiàn)，借助步數(shù)、步距角，得出角位移大小。

( 三) 掃描。掃描是確定空間坐標(biāo)的重要步驟，即，向被測(cè)區(qū)域發(fā)出掃描激光，通過(guò)激光的往返時(shí)間或相位差實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的計(jì)算。同時(shí)，借助內(nèi)部時(shí)鐘控制編碼器，分別對(duì)縱向角度值θ、橫向角度值a。最后，利用以下公式便可計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo):

( 四) 定向。定向指將在掃描坐標(biāo)系獲得的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)向大地坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)化，對(duì)定向識(shí)別標(biāo)志中的中心坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)公共點(diǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，得到坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中應(yīng)用的參數(shù)。

三、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3D 激光掃描儀具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、高精度、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)，可獲得大量三維地形數(shù)據(jù)信息。本文利用德國(guó)生產(chǎn)的3D 激光掃描儀探討其在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用。使用該儀器進(jìn)行地基測(cè)繪時(shí)，需要站相互之間的拼接完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。同時(shí)，還需要借助專門的數(shù)據(jù)處理軟件。另外，為更好地得到地物的絕對(duì)坐標(biāo)，該掃描儀具備外接GPS 功能。該掃描儀在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用包括前期準(zhǔn)備、站點(diǎn)設(shè)置、正式測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)。

( 一) 測(cè)量準(zhǔn)備。利用3D 激光掃描儀進(jìn)行地籍測(cè)繪時(shí)，做好充分的測(cè)量準(zhǔn)備，有助于測(cè)量工作的順利進(jìn)行。3D 激光掃描儀優(yōu)點(diǎn)較多，如幾乎不受地形因素影響、設(shè)站方便靈活，因此，需要進(jìn)行的前期準(zhǔn)備工作較少，即，對(duì)待測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查，確定站位設(shè)置地點(diǎn)即可。

( 二) 設(shè)置站點(diǎn)。3D 激光掃描儀設(shè)站靈活性大，在高地勢(shì)或視覺(jué)良好的巷道口均可設(shè)站。如待測(cè)區(qū)域已存在圖根控制點(diǎn)，將其設(shè)置在控制點(diǎn)上即可，而后進(jìn)行對(duì)中整平操作。考慮到每站中3D 激光掃描儀使用的坐標(biāo)系統(tǒng)均為獨(dú)立的，因此，應(yīng)將覘標(biāo)設(shè)置在行進(jìn)路線上，為不同站之間數(shù)據(jù)的拼接提供方便。

( 三) 正式測(cè)量。當(dāng)設(shè)置完畢站標(biāo)與儀器架站后，便可進(jìn)行正式掃描操作，每一站掃描花費(fèi)的時(shí)間大概在4min 左右，掃描結(jié)束后可借助顯示屏完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的查看，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取未達(dá)到要求，可對(duì)掃描精度進(jìn)行局部調(diào)整而后進(jìn)行重新掃描作業(yè)。實(shí)際作業(yè)中如對(duì)街巷進(jìn)行測(cè)量，因房屋密度較大，可將院落或房頂位置設(shè)置站點(diǎn)以輔助測(cè)量工作。另外，為實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)的直接引入可開(kāi)啟外置的GPS 機(jī)，使獲得的坐標(biāo)系統(tǒng)更好地滿足要求。另外，為進(jìn)一步提高測(cè)量效果，降低建筑物的干擾，實(shí)現(xiàn)地物坐標(biāo)精度的提高，測(cè)量工作中還可應(yīng)用棱鏡全站儀，在控制點(diǎn)附近位置，測(cè)量站標(biāo)十字靶心的點(diǎn)位坐標(biāo)，尤其應(yīng)保證測(cè)量的均勻性，為拼接處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，更加方便地引入坐標(biāo)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

( 四) 數(shù)據(jù)處理。利用Z + FLaserControl 軟件拼接測(cè)站獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因各個(gè)覘標(biāo)均存在差異，利用該軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)站標(biāo)十字靶心的自動(dòng)識(shí)別，有效避免人為因素造成的誤差。

拼站過(guò)程中以某站為參考，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拼接操作，即，每進(jìn)行相鄰站數(shù)據(jù)的加載，系統(tǒng)會(huì)在參考不同標(biāo)靶十字心的基礎(chǔ)上進(jìn)行拼接，當(dāng)相鄰站拼接工作完成后，逐漸完成其他設(shè)站數(shù)據(jù)的加載工作，最后便可對(duì)拼接的整體效果進(jìn)行查看。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些站有拼接錯(cuò)誤時(shí)，可利用手工方式，對(duì)兩站之間重疊區(qū)域的共同特征進(jìn)行深入分析，逐漸進(jìn)行糾正，并將系統(tǒng)拼接誤差控制在合理范圍內(nèi)。

在生成的報(bào)告中，拼站精度可達(dá)到毫米級(jí)，精度可達(dá)到預(yù)期要求。另外，軟件具備裁切對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)功能，可為提取地物特征提供方便。考慮到拼接后會(huì)產(chǎn)生較大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為提高處理效率，可利用計(jì)算機(jī)分塊實(shí)施。為進(jìn)一步提高地物特征線自動(dòng)化提取工作效率，可利用剖面成像與導(dǎo)出切片，對(duì)特征線的提取加以輔助。同時(shí)，有針對(duì)性地導(dǎo)出切片，即，僅導(dǎo)出那些指定平面垂直下方與上方特定距離的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，尤其對(duì)于掃描質(zhì)量良好的區(qū)域，可方便得到地物平面圖。數(shù)據(jù)處理操作中還應(yīng)注重精度的對(duì)比，即，對(duì)比分析實(shí)測(cè)線劃圖和點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)位，不難得出，點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般具有較高的精度，尤其將線劃圖提取后，界址點(diǎn)精度在2 ～ 5cm，部分在5～ 10cm，究其原因在于受內(nèi)業(yè)人員對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)主觀判斷的影響，同時(shí)，在不同站數(shù)據(jù)拼接過(guò)程中出現(xiàn)誤差傳遞。

四、結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用在城市三維建模、工程測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等工作中，取得了良好的成效，考慮到其具有勞動(dòng)強(qiáng)度低、獲取速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到地籍測(cè)繪中將獲得意想不到的收獲。本文通過(guò)研究得出以下結(jié)論: 一是三維激光掃描技術(shù)在地籍測(cè)繪中的應(yīng)用主要借助專門的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)利用專門的方法對(duì)距離、角度的測(cè)量，并利用專門的處理軟件，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得滿足要求的測(cè)量數(shù)據(jù)。二是3D 激光掃描儀借助相機(jī)與高速激光實(shí)現(xiàn)對(duì)地物圖像及坐標(biāo)的采集，被廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，尤其在地籍測(cè)繪中，為提高測(cè)量精度，應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，做好充分的測(cè)量準(zhǔn)備，并合理設(shè)置站點(diǎn)，做好對(duì)掃描細(xì)節(jié)的控制，應(yīng)利用專門軟件做好對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，并做好誤差較大數(shù)據(jù)的處理，為滿足地籍測(cè)繪精度要求做好鋪墊。

來(lái)源：《產(chǎn)業(yè)與科技論壇》