三維激光掃描技術是測繪領域繼全站儀、GPS技術后的又一次革命產(chǎn)品，被稱為“實景復制”或 “逆向工程”技術。近景攝影測量是其部分領域的競爭產(chǎn)品。三維激光掃描技術始于 1995 年，目前是朝陽行業(yè)。在國內，正在出臺相關的規(guī)范和標準。該技術能夠真實描述掃描對象的整體結構及形態(tài)特征，快速準確地生成三維數(shù)據(jù)模型，防止基于點數(shù)據(jù)的分析方法導致的片面性，應用方面大大提高了工作效率，填補了部分行業(yè)空白。

國內外該技術已廣泛應用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積量測等領域。但傳統(tǒng)的三維激光技術與應用有許多弊端：

傳統(tǒng)三維建模方式從數(shù)據(jù)采集到成圖周期太長，如航測;

傳統(tǒng)街景方式為二維，清晰度低，不夠逼真;

傳統(tǒng)城市部件采集方式效率低。

因此，現(xiàn)代三維激光技術基本上都是基于地面或機載某種單一方式，或將兩種方式結合在一起的應用。傳統(tǒng)方式采用單一方式的激光掃描，但不可避免地會有漏洞，一般都是采用軟件內插點云的方式填補空洞。采用空地一體掃描技術，可以將傳統(tǒng)的被動測量、間接測量有效轉化為主動測量、直接測，可以選擇性地使用地面三維掃描儀補充特殊地區(qū)真實點云，達到更加精確的結果。因此探索空地一體掃描技術在測繪工程中的應用方法與理論，將具有一定的現(xiàn)實意義，如圖1所示。

圖1 空地一體掃描技術

01、空地一體掃描技術簡介

三維激光掃描技術不斷發(fā)展并日漸成熟，三維掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，無需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)，如此則可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已成為當前研究的熱點之一，并在文物數(shù)字化護、土木工程、工業(yè)測量、自然災害調查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領域有廣泛的應用。測量技術的快速發(fā)展，各種先進的測量裝備及儀器也隨之投入到信息化測繪作業(yè)中，信息化測繪作業(yè)也越來越向空地一體化發(fā)展?？盏匾惑w掃描技術可以定義為： 采用機載激光輔以地面三維激光等多種掃描技術，快速采集物體表面真實可靠的三維數(shù)據(jù)的技術，其流程如圖 2 所示。

圖2 空地一體掃描技術整體流程

1.1 硬件集成： 核心技術

空地一體掃描的核心技術包括： 位置姿態(tài)（ positioandorientation system，POS）positioandorientation system，POS） 、慣性導航系統(tǒng)（ inertial navigation system，INS） 、捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)（ strapdown inertial navigation system，SINS） 、慣性測器件（ inertialmeasurement unit，IMU） 、激光建模測（lasermodeling instrument，LMI） 。

POS 的本質是 SINS GPS 構成的組合系統(tǒng)。SINS 可實時連續(xù)地測量載體的位置、速度和姿態(tài)等全部運動參數(shù)，但是其誤差隨時間累積。GPS 可以提供載體的高精度位置和速度，但是 GPS 信號易受到遮擋、干擾等因素影響，且數(shù)據(jù)更新率低，因此將SINS 和 GPS 相組合，可以綜合二者的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，是一種較為理想的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 SINS 與 GPS 相結合

1.2 時間同步數(shù)： 數(shù)據(jù)采集頻率內插

由于數(shù)據(jù)采集頻率不同，在對數(shù)據(jù)融合時，需要以時間為標志，對數(shù)據(jù)進行內插處理和數(shù)據(jù)匹配，結合傳感器檢定信息，分別求得每一掃描及拍照時刻傳感器的運動位置與姿態(tài)參數(shù)。

1.3 激光技術指標計算

基于激 光 技 術 指 標 的 假 設 前 提： 假 定 轉 速50 圈，即每秒激光掃描儀掃描頻率可達 50 條線，相當于 100 k /50-2 k 個點在 360°的空間均勻分布，此時角分辨率 = 2 × 3. 14 /2000.約為 3 mrad，在時 速50 km / h，在 100 m 外的數(shù)據(jù)點縱向和橫向的間距僅為 0.3 m 左右，如圖 4 所示。車行方向激光點間距計算： 車 速 50 km / h =13 m / s（ 13 /50 = 0.26 m） 。掃描方向點距計算： 圓弧長 = 半徑×弧度; 100×3 /1000 = 0.3 m。100 m 外半徑為： 0.3/1000×100= 0.03 m，即3 cm，如圖4所示。

圖 4 激光建模測量設備

02、空地一體掃描技術特點

2.1 空地一體，多方位獲取高精度點云數(shù)據(jù)

輕型無人機機載雷達搭配地面三維激光掃描儀，可快速多角度獲取高精度點云數(shù)據(jù)，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術優(yōu)勢。

2.2 非接觸式數(shù)據(jù)獲取，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠?？梢越鉀Q危險目標、環(huán)境（ 或柔性目標） 及人員難以企及的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術優(yōu)勢。

2.3 主動發(fā)射掃描光源（ 激光） ，不受掃描環(huán)境時間和空間的約束

三維激光掃描技術采用主動發(fā)射掃描光源（ 激光） ，通過探測自身發(fā)射的激光回波信號獲取目標物體的數(shù)據(jù)信息，因此在掃描過程中，可以實現(xiàn)不受掃描環(huán)境時間和空間的約束。

2.4 快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)

三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)，可以對掃描目標進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達到高分辨率的目的，可準確反映出地物信息。

2.5 可與 GPS 系統(tǒng)配合使用

這些功能大大擴展了三維激光掃描技術的使用范圍，對信息的獲取更加全面、準確。內置數(shù)碼攝相機的使用，增強了彩色信息的采集，使掃描獲取的目標信息更加全面。GPS 定位系統(tǒng)的應用，使得三維激光掃描技術的應用范圍更加廣泛，與工程測量的結合更加緊密，近一步提高了測量數(shù)據(jù)的準確性。

03、該技術在某地形測繪中的應用

3.1 實例應用

如圖 5 所示，該項目位于廣州番禺區(qū)，測區(qū)總面積約 18 km2.總建筑面積約 1.5 km2 ; 項目成果要求為 1 ： 500 地形地籍圖; 房屋依河涌而建，整體比較分散; 但房屋間距較小，小范圍內房屋密集，且房屋周圍樹木茂密。無人機航測手段由于房屋密集幾乎看不到地面，傳統(tǒng)測繪手段由于信號遮擋，通視不便，獲取目標地物真實數(shù)據(jù)也異常困難，且傳統(tǒng)手段耗費人力物力較大，18 km2 幾乎要做 6 個月。測繪精度要求本次不動產(chǎn)權籍調查中地籍測量精度按照國家及省相關標準執(zhí)行，農(nóng)村房屋測量面積量算精度要求為三級，見表1.

圖 5 項目范圍線

3.2 實例應用過程

采用無人機機載三維激光雷達+地面站補點的方式作業(yè)，外業(yè)投入 3 人，航飛了 20 個架次（ 采用大疆飛行平臺，航時有限，每架次只能飛行 16 min） ，外 業(yè)數(shù)據(jù)采集完，經(jīng)過內業(yè)點云數(shù)據(jù)解算，坐標轉換，再經(jīng)過自主研發(fā)的 SouthLidar 軟件中進行地形地籍圖生產(chǎn)，最終生成 DLG 成果。如圖 6 所示。將采集的 191 個檢查點跟激光點云的地面點數(shù)據(jù)做比較，由軟件自動生成圖 7 中報告，最終得出高程精度中誤差為 6.9 cm，116 個檢查點得出的高程精度中誤差為 5.1 cm，完全滿足 1 ∶ 500 航測高程精度要求。

圖6 設計無人機航線外業(yè)采集現(xiàn)場（根據(jù)激光參數(shù)）

圖7 點云處理及精度監(jiān)測

3.3 技術創(chuàng)新及 4D 產(chǎn)品生成

基于無人機機載三維激光雷達和地面站補點方式的技術創(chuàng)新如圖 8—圖10 所示。

（ 1） 直接快速生成 DEM、DSM、DLG、DOM 等產(chǎn)品，達到定測、施工圖設計的精度要求。

（ 2） 應用機載 LiDAR 生成 0.15 m 高精度的數(shù)字地面模型，有效克服了氣候多變、地形復雜、植被茂盛等難題。

（ 3） 無需或極少量控制測量，減少勘察設計環(huán)節(jié)和流程，大大縮短了工作周期，提高了工作效率。由于地形條件的限制在外業(yè)采集的碎部點很難一次性生成理想的等高線，如樓頂上控制點，另外還圖生產(chǎn)，最終生成 DLG 成果。如圖6所示。將采集的 191 個檢查點跟激光點云的地面點數(shù)據(jù)做比較，由軟件自動生成圖 7 中報告，最終得出高程精度中誤差為 6.9 cm，116 個檢查點得出的高程精度中誤差為 5.1 cm，完全滿足 1 ： 500 航測高程精度要求。因現(xiàn)實地貌的多樣性和復雜性，自動構成的數(shù)字地面模型與實際地貌不太一致，因此可以通過修改三角網(wǎng)修改這些局部不合理的地方。具體技術有：

（ 1） 過濾三角形。可根據(jù)需要輸入符合三角形中最小角的度數(shù)或最大邊長大于最小邊長的倍數(shù)等條件的三角形。如果出現(xiàn) CASS 7.0 在建立三角網(wǎng)后點無法繪制等高線，可過濾掉部分形狀特殊的三角形。另外，如果生成的等高線不光滑，也可以用此功能將不符合要求的三角形過濾掉，再生成等高線。

（ 2） 增加三角形。如果要增加三角形時，可選擇“等高線”菜單中的“增加三角形”項，依照屏幕的提示在要增加三角形的地方用鼠標點取，如果點取的地方?jīng)]有高程點，系統(tǒng)會提示輸入高程。

（ 3） 三角形內插點。選擇此命令后，可根據(jù)提示輸入要插入的點在三角形中指定點（ 可輸入坐標或用鼠標直接點?。?; 提示高程（ 米） = 時，輸入此點高程。通過此功能可將此點與相鄰的三角形頂點相連構成新三角形，同時原三角形會自動被刪除，如圖 11 所示。

圖 8 基于激光雷達的植被穿透直接獲取地面點的數(shù)據(jù)

圖 9 基于車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)采集技術

圖 10 制作系統(tǒng)空間同步數(shù)據(jù)———重復軌跡檢校方法

圖 11 快速采集城市街景圖（ 南方 SouthLiDAR 軟件）

04、結論與建議

基于空地一體掃描技術的車載三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高樓大廈林立的城市中運行，GPS 信號時有時無。又由于交通狀況的影響，車載平臺時走時停，這些都使得車載系統(tǒng)的工作環(huán)境十分獨特，同時也會存在容易失鎖的地方： 如立交橋、過街天橋、高樓底下、兩邊是樹的林蔭道，一般失鎖時間為 30s，因此本文關心組合導航系統(tǒng)的精度主要是關心在失鎖30s 或 1 min 之后可以達到的精度?？傮w而言，空地一體掃描技術是現(xiàn)階段較為新穎的技術，相對于傳統(tǒng)全站儀、RTK技術而言，具有非接觸式、效率高、速度快等優(yōu)勢，相對于無人機航測技術而言說具有全天候作業(yè)、高程精度高、可穿透植被縫隙直接獲取真實地面高程的優(yōu)勢，因此在高精度地面高程測繪、地籍測繪、電力巡線、應急監(jiān)測、森林植被采集及灘涂等人工無法到達的作業(yè)環(huán)境等領域有其巨大的優(yōu)勢，本文關于空地一體掃描技術及其應用進行分析和探討，以及對于我國三維激光技術的推廣，起到一定的促進作用。

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