三维激光扫描仪在地形测量中应用

Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　信息技术与应用　

三维激光扫描仪在地形测量中应用　

王建华胡小峰　（巴州新矿测绘中心，新疆库尔勒８４１　０００）　

【摘要】扫描系统的发展起始于１９６０年代左右，早期的扫描仪主要应用于隧道、井、以及桥梁的对齐操作、变形测量、以及工程测量。随着　大量的研究开发以及计算机设备的发展，直至１９９０年代中期才广泛应用于地形测量。三维激光扫描技术能获取目标的空间信息，具有大面积、高自动　化、高速率、高精度的测量的特点，采集过程安全简单、节省人力并且具有强大的数据理能力，几乎可以提供任何位置、任何细节的信息，作业成果完全能　

满足高寒地区地形测量。　【关键词Ｊ三维激光扫描仪测绘应用　

ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４０００三维激光扫描技术是现在国际获取空间多目　

标三维数据最先进的长距离影像测量测量技术，由于它是将传统测　

绘系统的测量扩展于到了面测量，能够深入到复杂的空间和现场环　

境中进行扫描测量，直接将各种复杂的、大型的目标物体所扫描的　

点云数据完整地输入到计算机中，然后构出目标物体。　

１　ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４０００扫描系统组成　

ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４ｏｏｏ￣地面型激光扫描系统的固定式三维激光扫　

描仪，其扫描系统组成包括以下：　（１）超长测程。高速、高分辨率提供高达４公里的超长测程以及竖　

直６０。，水平３６０。的广阔视场角范围。采用不可见的对人眼安全的一　

级激光。　高精度以及可信赖的超远测程是基于ＲＩＥＧＬ　ＶＺ系列扫描仪　

独一无二的数字化回波和在线波处理功能，即使在沙尘、雾天、雨雪　

等能见度非常差的天气作业时，也能按需获取高精度测量及多重目　

标回波的识别。　（２）波形数据输出（可选的）。数字化回波信号，也被称为波形数　

据，通过Ｖｚ一４０００获取用于进行波形分析。　

（３）内置数码相机。内置分辨率为２０６０×１９２０　ｐｉｘｅｌｓ（ＳＭ）像素　

的数码相机，自动曝光控制。数码相机视场范围为７．２。Ｘ　５．５。（垂直　

Ｘ水平）可通过棱镜旋转获取覆盖整个视场一定数量的高分辨率的　

全景照片，与扫描测量成果相结合，创建三维数字模型，为地质、岩　

土、公路设计的调查提供相应的服务保障。　

（４）内置双轴倾斜补偿和ＧＰＳ。利用集成的ＧＰＳ接收机（Ｌ１）或　

者外接ＧＰＳ接收机，内置双轴倾斜传感器（补偿范围±ｌ０。，精度　

土０．００８。）。　

图１扫描仪三维计算示意图与公式　（５）内置数字磁罗盘。　

（６）内置大容量数据存储。　

（７）内置激光铅锤。　

（８）外接电源。　

（９）反射片。　

（１０）ＲＩＥＧＬ软件包。　

２　ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４０００扫描仪的基本原理　

三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经目标表面漫　

反射后，沿几乎相近的路径反向传回到接收器，计算目标点与扫描　

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　

和纵向扫描角度观测值ｐ。三维激光扫描测量是仪器自定义坐标　

系。ｘ轴在横向扫描面内，Ｙ轴在横向扫描面内与）潍６垂直，ｚ轴与横　

向扫描面垂直，得Ｐ的坐标（如图１）。　

３　ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４０００扫描仪外业数据采集　

外业数据采集采用自由架站的方法进行，即不输入扫描站的坐　

标和定向坐标，使用ＲＴＫ或全站仪采集反射片的坐标。　

外业数据采集包括反射片及控制点布设与测量、数据全景扫描　

和外业扫描精的控制三部分工作。　

３．１反射片布设及测量　

在外业数据采集时，需要在测站位置周围３米外７米内布设３个　

以上不在同一条线上反射片。由于扫描仪与被扫描目标所形成的夹　

角不同、分辨率不一样，夹角越小，分辨率越低・对于不同的扫描距　

离，点的精度也不同，另外还存在有障碍物不能通视的情况，因此有　

很多测站扫描的数据拼接到一起完成。为了拼接和数据管理方便，　

把反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认第一站站　

名为ＳｃａｎＰｏｓＯ０１，那么反射片点名为Ｋ００１－１、Ｋ００１－２、ＫＯ０１－３。默　

认第二站为ＳｃａｎＰｏｓ００２，那么反射片点名为Ｋ００２—１、Ｋ００２－２、　

Ｋ００２－３，以此类推。使用Ｒ　Ｔ　Ｋ或全站仪测量反射片坐标。　３．２确定采样间隔和数字化回波信号频率　

采样间隔和数字化回波信号频率设置很重要，采样间隔大，给　

数据处理精度造成影响；采样间隔小，则采集到的点云数据量庞大，　

给数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。扫描仪　

内设有扫描脉冲时间６０和８０。　

数字化回波信号频率有３０　ｋＨｚ、５０　ｋＨｚ、１５０　ｋＨｚ、３００　ｋＨｚ　

四种模式。通视条件好的情况下，保证相邻测站间有一定的点云重　

叠区域，通视条件不好，则应选择适当位置增加扫描站数，直至需要　表１操作模式　

ＬａＳｅｒ　ＰＲＲ　３０　ｋＨｚ　５Ｏ　ｋＨｚ　１５０　ｋＨｚ　３００】【Ｈｚ　

有效测量速度　２３０００点／秒　３７０００点／秒　・　１１３０００点／秒　２２２０００点／秒　

目标反射率：ｐ≥９０％　４０００ｍ　３ｌＯＯｍ　２４００ｍ　２４００ｍ　

目标反射率：Ｐ≥２０％　２３００ｍ　１７ｏ０ｍ　１２００ｍ　１２００ｍ　

目标回波接受的最大数量　无限次回波ｍ　

２０１５年５月上第ｏ９期总第２１３期　３５　

著信息技术与应用　Ｃｈｉｍ￣Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　

表２经验值配对表　

距离　脉冲时间　数字化回波信号频率　

５００米以内　８０／６０　３００　ｋＨｚ　

距离　脉冲时间　数字化回波信号频率　

１０００米以内　６Ｏ／８Ｏ　ｌ５Ｏ　ｋＨｚ　

１０００－２０００米以内　６０　５Ｏ　ｋＨｚ　

２０００米以上　６０　３０　ｋＨｚ　

测量的目标全部扫描完成经验值配对表（表２）。　３．３外业扫描精度的控制　

选择晴朗、大气环境稳定、能见度高、０１２—４ｏ℃气温的环境中扫　

描作业，减少大气中水汽、杂质等对于激光传输路径以及传输时间　

的影响；对于目标对象的透射或者镜面反射表面要做处理，防止丢　

失信号、弱激光信号对精度的影响滟ｌ免非静态因素的影响。例如：　

人、下雪、下雨、等等。　

４　ＲＩＥＧＬ　ＶＺ一４０００扫描仪内业数据处理　

ＲｉｓＣＡＮ　ＰＲＯ是奥地利Ｒｉｅｇｌ公司为ＲＩＥＧＬ仪系三维扫描仪　

开发的软件，它具有强大的数据配准功能，能够将模型导出多种比　

较通用的数据格式。　

外业扫描到的点云数据量非常大，既包含有用的数据，也包含　

车辆、行人、雪、雨等无用的数据，这些无用的数据，我们称之为噪点　

数据。这些点云数据必须要经过处理。从点云到测绘成果的实现包　

括扫描数据分区、反射片的选取、建立扫描站点云数据模型、点云拼　

接、坐标转换、数据抽隙、去噪点、格式转换、生成南方ＣＡＳＳ坐标数　

据文件。　４．ｉ扫描站数据分区　

根据地形和精度的限制，本工程把测区扫描站分了ｌ８个区块。　

４．２反射片的选取　

一般在２Ｄ视图下，灰度模式中的点云数据中选取反射片，灰度　

值软件根据爆光度计算。在３Ｄ视图中拖入标记的反射片来检查标记　

的反射片位置是否正确一，若发现反射片选取偏离，可在扫描站中的　

ｒＰＬ中删除改点，在３Ｄ视图中重新选择。为了拼接和数据管理方便，　

把点云数据反射片的点名与扫描站的站数命名一致，如扫描站默认　

第一站站名为ＳｃａｎＰｏｓＯ０１，那么反射片点名为ＴＰ００１－１、ＴＰ０ｏ卜２、　

ＴＰ００１－３。默认第二站为ＳｃａｎＰｏｓ００２，那么反射片点名为ＴＰ００２—　

１、ＴＰ００２—２、ＴＰ００２－３以此类推。　４．３建立扫描站点云数据模型　

建模设定参数主要有三个：　（１）ｍａｘ　ｐｌａｎｅ　ｅｒｒｏｒ＝０．０２ｍ、（设置最大平面的误差）；　

（２）ｍａｘ　ｅｄｇｅ　ｌｅｎｔｈ＝２ｍ　（设置最大三角形边长）；　

（３）ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｒａｎｇｅ＝１５０ｍ。（设置最站与站重叠长度或测程的　

一半）。　４．４点云数据拼接　

把从各个扫描站上扫描得到的点云数据，找出正确的排列关　

系，使它们能够拟合成一个整体的点云数据，即把不同基准下的点　

云数据转换到同一基准下的点云数据，这个过程叫做点云数据拼　

接。其实质是把不同的坐标系下的点云数据进行坐标变换。点云数　

据拼接技术按过程分为，粗略拼接和精确拼接。　

４．４．１粗略摒接　

将不同坐标系下的点云数据大致转换到同坐标系下，为精确拼　

接提供出始值。通过点云数据反射片坐ｂ￣ｌ＇ＰＬ（ｓｏｃｓ）与ＲＴＫ所测的直　

角坐标ＴＰＬ（ＧＬｃｓ）进行点与点匹配。设置的容差和匹配点个数，如　

果无法匹配的时候首先检查容差设置和匹配点数量的设置，如果还　

不行，打开３Ｄ点云看选取的位置是否在所要选取的位置上，这个过　

程叫粗略拼。　

３６　２０１５年５月上第Ｄ９期总第２１３期　４．４．２精确拼接　

通过迭代优化一组坐标转换参数，实现拼接误差最小。设置的　

参数（设置搜索半径，半径大小根据粗略拼的结果来定；设置误差递　

减，幅度不要太大。打开多站点拼接命令，选取一个扫描站作为这个　

区块的基准后锁定，在拼接过程中一定要一站一站拼接。根据计算　

的结果，重复设置更小参数直至达到最优结果；检查点云数据，看无　

明显分层即可。　

４．４．３点云数据拼接精度控制　

点云数据的拟合处理，是不同坐标系统之间转换，转换误差主　

要是反射片的选取、控制网的精度、测量仪器的精度。　

测量控制网精度控制在ｃｍ级，扫描站之间可通视的情况下，可　

以选择点拟合特征点的方式拼接，选取高精度的测量仪器和测量方　

法，可提高成果精度。　４．５坐标转换　

首先需要删除ＴＰＬ（ｐｒｃｓ）里的所有点，之后将每一站ＴＰＬ（ｓｏ（￣）　

中的点计算后复制到ＴＰＬ（ｐｒ￣），打开ＴＰＬ（ｐｒｃｓ）进行点对点匹配（坐　

标转换）。以下是各个区的坐标转换精度表；　

（１）Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｇ　ｔｉｅｐｉｎｇｔｓ（精拼坐标与ＲＴＫ实测量坐标配对、　

坐标转换的总点数）　

（２）Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ（扫描点拼接后区块的中误差）　

用ＲＴＫ对１８个区块进行高程内插检测，最小差士０．１０ｃｍ，最大　

差±１００ｃｍ，因为是高寒区允许误差为±１２０ｃｍ。满足地质矿产勘查　

测量规范要求。　

４．６数据抽隙　

在ＯＢＪＥＣＴＳ里面的ＰＯＬＹＤＡＴＡ中新建一个ＰＯＬＹＤＡＴＡ文　

件，然后再出现的对话框中选择所要合并的文件，并在设置中点击　

ｏｃｔｒｅｅ命令在ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ￣中确定抽希的间隔距离，勾选Ｃｏｎｂｉｎｅ＠　

令合并选择的数据。如果认为所采集到的点云数据或者局部数据相　

对于工程本身过于密集，还可以对数据进行抽隙处理。　

４．７去噪点　

在点云数据采集过程中，由于车辆、行人、树木等因素的影响，　

我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数　

据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于　

噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱。利用这一特点可　

以将噪声数据剔除。打开精确拼接后的点云数据，通过正视图、侧视　

图等删除躁点｝部分选取数据，点击ｔｅｒｒｉａｎ　ｆｉｌｔｅｒ按钮，设置ｖｅ鬓　—　

ｅｔａｔｉｏｘ￣Ｕ除植被、ｒｎｍｍｇ—ｏｂｊｅｃ０３￣除矿上上的物体、ｍｉｎｉｎｇ—ｐｏｉｎｔｓ　

ｂｅｌｏｗ　ｔｅｒｒａｉｎ为剔除低于地面的点。在运行剔除植被之后，所有被　

软件认为是植被的点将处于选择状态，在这当中通常会有一些坡、　坎上的点，手动选择需要保留的点。对点云数据进行检查把不参与