【技術】三維激光掃描技術在地籍測繪中的應用

【摘要】三維激光掃描技術具有使用方便、精度高、速度快等優點，被廣泛應用在各個領域測繪工作中，尤其在地籍測繪中的應用大大減弱外業人員勞動強度，提高外業工作效率。本文對三維激光掃描技術原理進行分析，以3D 激光掃描儀為例探討其在地籍測繪中的具體應用，為其在地籍測繪中更好的應用提供參考。

【關鍵詞】三維激光掃描技術; 地籍測繪; 工程測量

三維激光掃描技術在地籍測繪中的應用，主要通過三維激光掃描系統實現，依據系統運行平臺、掃描空間位置，分為手持型激光掃描儀、機載型掃描系統、地面型激光掃描系統，本文探討的3D 掃描儀即為地面型激光掃描系統的重要組成部分。

一、地籍測繪

當前我國地籍測繪立足權屬調查，目的在于獲得與表達地籍信息，涉及測量控制地籍、調查地籍要素、測量地籍要素等諸多內容。為保證測繪工作效率，開展地籍測繪工作時，應注重遵守從高級到低級、由整體到局部以及先控制后碎部的原則。同時，我國地域遼闊、地籍測量工作量大，因此，應用專業技術，不斷提高地籍測繪工作質量及效率，是國家職能部門關注的重點。三維掃描技術可實現三維點大量的采集，并掃描各種復雜的環境，采集不規則、復雜程度高、大型的實景三維數據，借助計算機及相關軟件實現目標的三維點云模型的構建，將其應用到地基測繪工作中，有助于更好地掌握待測目標的地理要素信息，以及地塊權屬界線的界址點坐標，為制定相關的策略提供重要依據。

二、三維掃描技術的工作原理

三維掃描技術用于確定被測量對象的三維坐標，包括測距、角位移、掃描以及定向等內容。

( 一) 測距。利用三維掃描技術進行測距時相位法、脈沖法、三角法較為常用，其中相位測距主要通過分析、計算在被測距離上調制光信號往返時形成的相位差，借助時間實現對被測距離的計算，在醫學以及精密測量中較為常用; 脈沖法主要借助發射與接收脈沖的時間差，實現對距離的測量，該方法常被應用在三維激光掃描設備中; 三角法主要利用幾何關系實現對距離的測量，此種方法適宜應用在近距離測量中。

( 二) 角位移。角位移是三維激光掃描技術測量的重要內容，實際測量中主要應用線位移與角位移的測量兩種方法，其中前者主要利用由CCD 元件、直角棱鏡、激光發生器構成的系統實現; 后者利用由步進電機驅動的掃描儀實現，借助步數、步距角，得出角位移大小。

( 三) 掃描。掃描是確定空間坐標的重要步驟，即，向被測區域發出掃描激光，通過激光的往返時間或相位差實現對距離的計算。同時，借助內部時鐘控制編碼器，分別對縱向角度值θ、橫向角度值a。最后，利用以下公式便可計算出待測點的三維坐標:

( 四) 定向。定向指將在掃描坐標系獲得的數據實現向大地坐標系下的轉化，對定向識別標志中的中心坐標進行計算，通過對公共點坐標的轉換，得到坐標系轉換中應用的參數。

三、三維激光掃描技術的應用

3D 激光掃描儀具有動態、實時、高精度、采集速度快等優點，可獲得大量三維地形數據信息。本文利用德國生產的3D 激光掃描儀探討其在地籍測繪中的應用。使用該儀器進行地基測繪時，需要站相互之間的拼接完成點云數據的處理。同時，還需要借助專門的數據處理軟件。另外，為更好地得到地物的絕對坐標，該掃描儀具備外接GPS 功能。該掃描儀在地籍測繪中的應用包括前期準備、站點設置、正式測量、數據處理等環節。

( 一) 測量準備。利用3D 激光掃描儀進行地籍測繪時，做好充分的測量準備，有助于測量工作的順利進行。3D 激光掃描儀優點較多，如幾乎不受地形因素影響、設站方便靈活，因此，需要進行的前期準備工作較少，即，對待測現場進行勘查，確定站位設置地點即可。

( 二) 設置站點。3D 激光掃描儀設站靈活性大，在高地勢或視覺良好的巷道口均可設站。如待測區域已存在圖根控制點，將其設置在控制點上即可，而后進行對中整平操作。考慮到每站中3D 激光掃描儀使用的坐標系統均為獨立的，因此，應將覘標設置在行進路線上，為不同站之間數據的拼接提供方便。

( 三) 正式測量。當設置完畢站標與儀器架站后，便可進行正式掃描操作，每一站掃描花費的時間大概在4min 左右，掃描結束后可借助顯示屏完成點云數據的查看，一旦發現數據獲取未達到要求，可對掃描精度進行局部調整而后進行重新掃描作業。實際作業中如對街巷進行測量，因房屋密度較大，可將院落或房頂位置設置站點以輔助測量工作。另外，為實現對測區坐標系統的直接引入可開啟外置的GPS 機，使獲得的坐標系統更好地滿足要求。另外，為進一步提高測量效果，降低建筑物的干擾，實現地物坐標精度的提高，測量工作中還可應用棱鏡全站儀，在控制點附近位置，測量站標十字靶心的點位坐標，尤其應保證測量的均勻性，為拼接處理數據過程中，更加方便地引入坐標系統奠定基礎。

( 四) 數據處理。利用Z + FLaserControl 軟件拼接測站獲得的三維點云數據，因各個覘標均存在差異，利用該軟件可實現對站標十字靶心的自動識別，有效避免人為因素造成的誤差。

拼站過程中以某站為參考，在此基礎上進行拼接操作，即，每進行相鄰站數據的加載，系統會在參考不同標靶十字心的基礎上進行拼接，當相鄰站拼接工作完成后，逐漸完成其他設站數據的加載工作，最后便可對拼接的整體效果進行查看。當發現某些站有拼接錯誤時，可利用手工方式，對兩站之間重疊區域的共同特征進行深入分析，逐漸進行糾正，并將系統拼接誤差控制在合理范圍內。

在生成的報告中，拼站精度可達到毫米級，精度可達到預期要求。另外，軟件具備裁切對點云數據功能，可為提取地物特征提供方便。考慮到拼接后會產生較大的點云數據，為提高處理效率，可利用計算機分塊實施。為進一步提高地物特征線自動化提取工作效率，可利用剖面成像與導出切片，對特征線的提取加以輔助。同時，有針對性地導出切片，即，僅導出那些指定平面垂直下方與上方特定距離的點云數據，尤其對于掃描質量良好的區域，可方便得到地物平面圖。數據處理操作中還應注重精度的對比，即，對比分析實測線劃圖和點云數據點位，不難得出，點云數據一般具有較高的精度，尤其將線劃圖提取后，界址點精度在2 ～ 5cm，部分在5～ 10cm，究其原因在于受內業人員對點云數據主觀判斷的影響，同時，在不同站數據拼接過程中出現誤差傳遞。

四、結語

三維激光掃描技術被廣泛應用在城市三維建模、工程測量、地質災害監測等工作中，取得了良好的成效，考慮到其具有勞動強度低、獲取速度快、測量精度高等優點，將其應用到地籍測繪中將獲得意想不到的收獲。本文通過研究得出以下結論: 一是三維激光掃描技術在地籍測繪中的應用主要借助專門的系統實現，通過利用專門的方法對距離、角度的測量，并利用專門的處理軟件，對測得的數據進行處理，以獲得滿足要求的測量數據。二是3D 激光掃描儀借助相機與高速激光實現對地物圖像及坐標的采集，被廣泛應用在諸多領域，尤其在地籍測繪中，為提高測量精度，應依據相關規范要求，做好充分的測量準備，并合理設置站點，做好對掃描細節的控制，應利用專門軟件做好對測量數據的處理，并做好誤差較大數據的處理，為滿足地籍測繪精度要求做好鋪墊。

來源：《產業與科技論壇》