三维激光扫描技术的基本原理以及在地形测绘中需要解决的问题

1、三维激光扫描技术的基本原理以及在地形测绘中需要解决的问题摘要：在地形测绘中，三维激光扫描技术作为一种高精度的立体扫描技术得到 了广泛应用，在提高测绘作业效率、保证地形图精度方面起着重要作用。本文介 绍了三维激光扫描技术的基本原理，分析了三维激光扫描技术在地形测绘中需要 解决的问题，并以应用实例为依托表明三维激光扫描技术可保证地形测绘中的成 图精度。关键词：三维激光扫描技术；基本原理；地形测绘三维激光扫描技术是一种能够获取局部地面三维空间信息的扫描技术，具备准确度高、 分辨率高、信息获取快等技术优势，可通过数据采集和数据处理快速生成测绘产品，适用于 多个测绘领域。对于地形测绘而言，应用三维激光扫

2、描技术可弥补传统地形测绘技术的不足， 大幅度提高地形测绘精度，将误差控制在限值范围内。1三维激光扫描技术的基本原理三维激光扫描仪根据测距原理可划分为脉冲式三维激光扫描仪、相位式三维激光扫描仪 和光学三角式激光扫描仪，不同类型的扫描仪其适用范围、测量精度、工作原理均有不同。1.1脉冲式三维激光扫描技术的基本原理该扫描技术主要适用于地形测绘、地貌监测、矿山测量、公路测绘、滑坡监测、堤坝侵 蚀监测、建筑物三维模型等领域，测距在几百米至上千米1。与另两种扫描技术相比，脉冲 三维激光扫描技术的精度相对偏低。该扫描技术采用激光脉冲测距法，其基本原理为：扫描 仪发出激光脉冲信号，信号通过旋转棱镜向测量目标射

3、出，信号反射回来时由探测器接收， 记录器对信号发射与接收的时间差进行计算，生成信号往返的路径，并转化为数据信息，利 用计算机软件对数据信息进行处理，输出测量目标的建模。1.2相位式三维激光扫描技术的基本原理该扫描技术主要适用于数字工厂模拟、轨道隧道扫描、医学研究、精密测量、交通事故 现场模拟等领域，测距不超过百米，具备测量精度相对较高的特点。该扫描技术采用相位测 距法，其基本原理为：借助无线电波段频率，调制已发射激光束的幅度，根据光的干涉原理 测量光信号传播中产生的相位差，对信号往返耗时进行测定，最终确定测量目标的距离2。1.3光学三角式激光扫描技术的基本原理该扫描技术主要适用于工业测量、逆向

4、工程重建等领域，测距在几米至数十米，测量精 度为亚毫米级，并且可保证扫描信息的完整性。该扫描技术的基本原理为：扫描仪向被测物 体表面发射激光信号，由CCD相机对反射信号进行接收，计算出入射光与反射光的夹角，根 据已知的激光光源与CCD相机之间的基线长度，推算出被测物体的距离3。2三维激光扫描技术在地形测绘中需要解决的问题三维激光扫描技术在应用的过程中存在着不同的误差来源，而点云数据作为扫描点的集 合，其误差直接影响着测绘数据的精度，所以必须重点解决点云数据误差问题。2.1点云数据的误差来源在地形测绘中，基于三维激光扫描技术的点云数据误差来源主要分为以下四种：扫描 仪误差。包括激光扫描仪系统部件

5、连接误差、激光束发散性误差、系统轴系旋转角度误差、 扫描角度误差、仪器架设误差等，都会影响测绘的精度；目标反射面误差。当扫描对象处 于歪斜状态、存在材质差异或光谱特性差异的情况下，会造成激光光束难以与切平面重合， 进而产生测距误差；外界环境误差。扫描仪受到异常气压、温湿度、风向等外部环境的影 响，使得仪器内部结构发生细微变化，直接影响扫描数据的精度4；数据采集误差。在复 杂地形测绘中，利用扫描仪采集数据可能存在着死角”，影响数据处理结果的精度。同时， 在点云拼接和点云去噪过程中，可能存在着数据传递误差和误删正确点云的情况，易降低数 据处理精度。2.2精度控制措施从地形测绘实践来看，外业数据采集

6、误差可通过控制作业条件将误差控制在标准范围内。 但是，内业点云拼接误差的控制难度较大，其中相对拼接误差大小与测站数量密切相关，即 测站数越多，相对拼接误差越大。而绝对拼接误差不存在数据传递误差，能够保持稳定的测 量精度。针对上述情况以及点云数据误差来源，建议采取以下精度控制措施：测绘前进行 扫描仪检定确定测距误差大小，或者通过对比扫描所得点云与测量所得地形图中公共特征点 的平面位置和高程确定误差，为降低误差提供依据；根据地形测绘现场实际情况合理选择 测站，在保证扫描精度的前提下，将相邻两测站之间的距离控制在50cm左右5；扫描仪 正对扫描面时要控制好扫描角度，以降低对两水平分量的影响，建议将扫

7、描角度控制在45， 达到平衡x方向和y方向精度的目的；将测站布设在易识别的已知点上，方便复测和补测 该站数据。针对多个不同测站，要尽可能多的扫描公共标靶，增加观测量，提高数据处理精 度；为保证点云质量大于66.67%，应将点云间隔控制在1/3目标最小特征尺寸范围内，根 据估算出来的特征尺寸确定点云密度。在地形测绘中，采取正确的三维激光扫描技术测量 程序，提高野外测量作业速度，避免出现误差累计6。重点控制系统误差、测距误差、坐标 系误差，通过调整坐标系减少或消除误差。3三维激光扫描技术在地形测绘中的应用实例下面以某矿区地形测绘为例，对三维激光扫描技术的应用进行分析。该地形测绘项目任 务为露天矿1

8、： 1000测绘，测区分布山峰、沟壑、断层、居民地、临时工棚等，地形十分复 杂，地表稳固程度相对较低，综合考虑测区气候、交通、生产作业条件等因素，测绘难度评 定为III级。本次地形测绘项目选用Leica HDS4400脉冲式三维激光扫描仪（以下简称扫描 仪”），以保证测绘作业过程的安全性，提高测绘数据精度。具体的地形测绘过程如下：3.1控制测量采用GNSS技术和水准测量技术进行控制测量，过程为：先检测起算控制点，对控制点 进行选定和埋设，再采集首级网GNSS静态数据，计算平差，最后采用RTK技术加密控制。 本次测绘项目在10k E测区范围内布设5个平高起算控制点，对各个起算控制点进行检测， 在

9、保证其可靠性的基础上进行加密控制。3.2外业数据采集测量测站点和后视定向点坐标，在各个测站点上利用扫描仪采集外业数据。在数据采集 过程中，先在扫描仪中设置相关参数，如扫描分辨率、精度、时间、物体距离、采集密度、 图像重叠度等参数，参数设定后扫描对象，采集扫描影像，获取扫描数据。对数据质量进行 分析，及时弥补扫描死角，以保证外业数据采集质量。3.3内业数据处理在点云数据处理中，需要借助扫描仪中的Cyclone软件完成数据拼接、去噪、滤波、平 滑、分割操作，具体操作过程为：3.3.1数据拼接。用软件打开扫描数据，集成所有点云数据建立模型，利用软件中的 Registration模块选取3处公共点，使

10、3处公共点在相邻测站之间的点云数据中，软件计算测 距，根据最小误差拼接相邻两测站数据，最后形成完整的点云数据。3.3.2去噪。由于本次测绘项目区的地表信息十分复杂，存在诸多干扰信息，如植被、房 屋、交通车辆等，大幅度增加了点云数据量，所以要进行去噪处理，全部删除无效干扰信息。 在去噪过程中，需要在软件中点选去噪平面上的一个点，将其设置成切面，输入偏移量、层 厚等参数，划分平面成条状，将干扰信息去除。3.3.3提取特征。对去噪后的点云数据进行滤波、平滑和分割，提取出能够反映地形地貌 特征的信息，将特征信息导出。特征信息包括特征点与特征线两种形式，用TXT格式导出特 征点，用DXF格式导出特征线。

11、3.4地形绘图利用软件整合点云数据新建地形图，将特征线数据导入到地形图中，并用特征点绘制地 形图中地物符号，用以标识地物、地貌。再利用软件进行DEM三维建模，生成三维等高线图， 最终完成地形图绘制，如图1所示。图1某矿区1： 1000地形图3.5质量检测对基于三维激光扫描技术的地形图质量进行检测，主要检测地物点点位误差和等高线内 插点高程误差。在质量检测中随机分布检测点，检测点不得少于50个。本次测绘项目对实 际地物点和地貌点进行测量，用以评估地形测绘质量。检测点共随机分布52个地物检测点 和897个高程检测点，计算出实际坐标与地形图坐标的差值。其中， x、 y分别表示地物 检测点的分量误差，

12、H表示高程检测点的分量误差，检测结果如表1所示。表1某矿区地形图质量检测数据根据相关规定，1： 1000地形图地物点点位误差与等高线内插点高程误差分别不得超过 0.8m、2m，而通过表1可知，本次地形测绘项目的地形图地物点点位误差与高程误差分别为 0.369m、0.501m和0.409m，全部符合地形测绘的误差要求，由此说明将三维激光扫描技术 应用到地形测绘中可保证地形图精度。4结论综上所述，在复杂地形测绘中，运用三维激光扫描技术可有效控制地形图地物点点位和 等高线高程误差，保证测绘成图精度。在今后的地形测绘中，为进一步降低误差，应针对外 业和内业数据采集与处理采取一系列精度控制措施，从而在提高地形测绘作业效率的前提下 保证地形测绘质量。参考文献：刘远征，文武，钱学智.基于地面三维激光扫描下精细地形测绘的分析J.工程技术研 究，2018（6）： 135-136.林善志，喻娇.三维激光扫描仪在地形测绘中的应用J.资源信息与工程，2018 (3)： 124-125.汪仁银，李开伟，叶波.三维激光扫描技术在