三维激光扫描仪在地形测量中的一体化应用

地形测量一体化是运用测量仪器及技术，对某一地形进行外业测量，并通过内业进行数据处理、建模、生成地形图的一体化生产过程。对于地形测量，常见的技术方法是全站仪测图、GPS-RTK测图、摄影测量等。而对于危险区域的地形测量，如高海拔、地形险峻、环境恶劣区域的地形数据采集，传统的测量方法如全站仪测图不能快速的获取数据，且存在采点困难、作业效率低下等问题，而摄影测量虽然可以一次性获取大量空间信息，但存在周期长、效率低等问题。三维激光扫描技术实现了传统测量方法所不具有的优点：无需接触被测地形、高效率、高精度、快速获取高密度的三维点云数据。三维激光扫描技术是一种新型的空间信息数据获取手段，已经在变形监测、文物保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域得到广泛运用[1-3]。

1 三维激光扫描仪在地形测量一体化中的运用

1.1 测区概况

本次测区为一滑坡，其位于四川省汉源县县城东南约20公里的万工集镇，地处大渡河瀑布沟库区左岸，属于高中山地形，扫描区域的地形起伏略大，植被较少，减少了对采集到的云数据的干扰，对数据的预处理比较有利，提高了点云数据的真实性和可靠性。

鉴于本项目的地形特点，决定采用Leica Scanstation2三维激光扫描仪进行测量，使用拓普康GPT-7502全站仪布设控制网，其测角精度为2”，测距精度为±（2mm+2ppm）。

为了在统一的坐标系下对点云数据进行匹配拼接，在测区范围内埋设了用于设站和定向的控制点K1～K6，其均匀布设在测区内。扫描站点选择在视野开阔的区域，在保证精度的情况下，能最大范围的扫描到目标。

1.3 外业数据采集

考虑到该地形的特殊性，采用分站式的扫描方式对测区进行大面积的扫描，即以测站为中心，对周围一定距离半径的区域进行扫描。

每测站扫描结束后进行数据的现场检查，判断是否有区域扫描遗漏，检查标靶的采样率是否符合要求，检查无误后对每一测站的数据进行命名，包括测站名称、扫描顺序等，然后保存。

1.4 内业数据处理

点云数据采集完成后，应用Cyclone软件及Geomagic Studio 12软件对采集的数据进行处理。其处理过程主要包括：不同测站点云的拼接、噪声处理、点云滤波平滑、抽稀压缩、空洞修补及数据输出。

1.5 地形图的绘制

经过预处理得到的点云数据其三维坐标是基于扫描仪坐标系统的，而地形图采用的是国家坐标系统，因此，在用点云数据绘制地形图前需将基于三维扫描仪的点云数据坐标系转换到国家坐标系中。在此采用四参数模型进行平面坐标的转换，而高程的转换采用平面拟合法。

转换完成后，从点云数据中提取居民地、交通设施、河流、陡坎、独立地物等地物点坐标并编辑制图。其他高程点过滤植被后，按照成图比例尺大小，选择合适的点间距，稀释点云数据，将采样得到的点云数据导入到CASS中建立DTM模型，生成等高线。将地物和等高线图形进行叠加编辑，最终完成地形图。

1.6 成图质量检查

对三维激光扫描仪所获得的点云数据所成的地形图进行质量检查，主要采用全站仪所测检核点的三维坐标和三维激光扫描仪扫描得到的点三维坐标进行对比计算，求出此类点的平面中误差和高程中误差[4]，进行质量检查。

本次在测区内均匀布设了5个检核点，扫描时在检核点上安置标靶。采用全站仪测得5个检核点的三维坐标和扫描仪转换后坐标数据进行比较来检查地形图的可靠性，见表1。

对采用三维激光扫描仪得到的点云数据与利用全站仪测得的三维坐标，其检核点的平面坐标中误差