三维激光扫描测量系统的应用及解析
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摘 要：随着科学技术水平的不断提高，测绘成果数据逐步向大数据、专题数据和模型化方向发展。传统的数据采集和处理模式已无法满足现代测绘成果的生产需求，因此新的测绘技术和设备孕育而生且得到快速发展，三维激光扫描测量系统作为当今先进的测量设备逐渐得到普及。该文就三维激光扫描测量系统的优点、构成、成果类型及应用领域作一些解析。
关键词：三维激光扫描;测绘行业;测绘数据
中图分类号：TP274 文献标志码：A
0 引言
三维激光扫描测量系统的硬件主要由激光扫描传感器、航测相机、惯性导航系统、全景影像系统和差分定位系统（DGPS）组成，能够自动、快速、精确地采集空间三维数据。具有受天氣环境影响小、数据采集时间短、效率高、生产成本低等特点。通过叠加高分辨率相机可获取高精度三维地表地形数据和清晰的地面影像，得到高精度的数字高程模型和正射影像图，最终精确获得用户所需1∶500、1∶1000、1∶2000等不同比例尺的数字图、影像图及各类专题数据成果。测绘技术的发展为三维激光扫描测量系统提供了广阔的应用前景。
1 三维激光扫描测量系统具有的优势
该系统具有以下5种优势。1）是一种非接触式主动测量方法，受环境影响和限制较小。2）与传统测绘相比较，通过差分定位系统（DGPS）控制工作可以大大减少，根据测区大小、精度要求只需要布设一个或多个GPS基准站。3）采集速度快、测量精度高、外业作业工作量少，处理自动化程度高。4）可以安全地对危险地区进行远距离、高精度的三维测量。5）穿透性，基于多次回波原理，激光能穿透植被达到目标表面。
2 三维激光扫描测量系统的组成及主要部件
三维激光扫描测量系统以动力三角翼、无人机或有人机（旋翼机或固定翼飞机）、汽车、摩托车及人背等为载体平台，高度集成激光扫描传感器、航测相机、惯性导航系统、全景影像系统、差分定位系统（DGPS）及控制电路，同步采集高精度三维激光点云数据、正射影像数据、全景影像数据、惯性导航（定位定姿）数据及差分定位（DGPS）数据，经过后期的数据处理软件进行融合、计算、解析、纠错等，自动快速地生成点云数据及数学高程模型（DEM）、数学表面模型（DSM）和数学正射影像图（DOM），制作数字规划地图（DLG）和3D模型。三维激光扫描测量系统分为3个部分。硬件平台、后处理软件平台、载体平台。
2.1 三维激光扫描测量硬件平台
三维激光扫描测量硬件平台主要由激光扫描传感器、航测相机、惯性导航系统、全景影像系统和差分定位系统（DGPS）组成。
激光扫描传感器是三维激光扫描测量硬件平台的核心部分。目前，比较成熟的是奥地利RIEGL激光测量系统公司生产的RIEGL系列激光传感器，以VUX-1LR激光传感器为例，其主要技术参数是：激光等级I级;激光测距范围/物体反射率1350/60%、820m/20%;扫描频率75万点/s;测距精度15mm@150m;角分辨率，0.001°;扫描速度， 200线/s、程最大测程1 350 m、最小测量距离5 m、激光发散度0.5 mrad、激光脉冲发射频率820 kHz、回波信号强度每个回波具有16位高分辨率强度信息近红外。
RIEGL技术具有全回波信号数字化和在线波形处理技术以及多周期回波（MTA）处理功能，MTA在激光测距过程中，遇到反射物时经过多次往返周期与累计时间相比求平均值，得到激光往返一个周期的时间，从而计算出距离。多回波技术具备穿透植被到达地面，从而获取地面点云的能力，解决了传统航测在植被茂盛地区无法获取高精度DEM的问题。
惯性导航系统（INS），该系统主要由陀螺仪和加速度计组成，陀螺仪采集和建立坐标系统，将加速计的测量轴置于其中，并向加速计提供航向和姿态角数据，结合加速计采集的加速度数据和时间数据得到距离，从而解算出三维激光扫描测量系统在导航坐标系中连续的速度和位置，得到所需的坐标数据。
航测相机主要用于采集正射影像数据，形成正射影像图。
全景影像系统集成了5台侧面和1台顶部的高清CCD相机，6台相机固定在一个防尘防水的金属机械壳中，以10 fps的采集速度移动采集数据。从6个方向得到真实的图像，并通过自身的拼接软件实时完成图像的处理、拼接和校正，将多台相机采集的图像组合成一幅高分辨率数字全景的图像。
差分定位系统（DGPS）是在位置已精确测定的一个或多个已知点上安装GPS接收机作为基准站并和用户同时进行GPS观测，采集GPS数据，通过计算得到观测点到卫星的伪距，比较伪距与已知的精确距离数据，计算得出观测点的测量误差，基准站向观测点发布测量误差修正值，观测点依据修正数据改正观测值，提高本观测点的观测精度。三维激光扫描测量系统硬件平台集成了以上技术和设备，结合控制电路，形成数据采集、分析、融合、高速输出的硬件平台。
2.2 后处理软件平台
后处理软件平台按应用软件可分成3类。1）数据采集类和预处理类软件，包括航线规划、线路规划、机载/车载集成操控软件、轨迹数据处理软件和数据融合纠偏软件等。2）数据处理软件，包括点云处理软件。3）生产及发布软件，包括专题测图软件、街景数据生产软件、三维全景发布平台软件、三维激光数字测图软件和城市点云三维建模软件等。
2.3 载体平台
载体平台包括动力三角翼、直升机、无人机、汽车、摩托车、人背等载体平台。大面积地测量使用三角翼、直升机搭载。禁飞区、城市、道路使用汽车、摩托车搭载。细部及室内测量采用人背仪器的方式进行测量。通过搭载方式的转换可以使三维扫描系统在测绘生产中得到全面应用。
3 主要成果
3.1 三维立体模型 通過激光点云和全景影像数据以及机载航拍获取的DOM和立体像为数据等辅助构建被测物体（如建筑、道路、地形等）建立精细模型。配合3DMax平台实现多源数据管理，以此来支持激光点云、全景、DOM、DLG、模型、纹理数据等工程管理。
3.2 三维实景
通过对全景相机采集的数据进行拼接，然后通过点云的建筑物面片采集、深度图制作、全景影像的人脸车牌模糊、全景影像切片等数据进行处理后，用专业应用发布平台发布。例如谷歌地图、百度地图、腾讯地图等都使用了该成果。
3.3 数字高程模型（DEM）
在经过点云粗分类到精分类流程后，通过软件按照格网间距自动生成DEM，再经过人工的编辑和修改，形成高精度数字高程模型（DEM）。
3.4 正射影像图（DOM）
由系统中搭载航测相机采集正射影像图数据。
3.5 数字线划图（DLG）
采用正射影像图DOM通过立体采集的方法得到DLG，是航摄技术应用最为广泛的一种方法，技术十分成熟。三维激光扫描系统的加入，让DLG在生产过程中有点云数据作为参考和检查，对提高数据质量，减少外业核查工作量有极大的帮助。
为了不断满足测绘应用市场扩大的需求使各种专题测绘成果数据得以开发和应用，笔者只列举了目前较为常用且基础的几类数据，以供参考。
4 应用领域
三维激光扫描测量系统广泛应用于地理信息（GIS）采集、街景地图制作、安防监控、体验式娱乐、电力巡检、洪水分析、公路勘测设计、钻孔勘探、森林普查、海岸岛礁测量、挖填方计算、考古调查与测绘、应急测量和地形测绘等领域。
5 结语
近几年来，三维激光扫描测量系统凭借集成化程度高、生产效率高、周期短、成果类型丰富和应用领域广泛等特点，受到测绘行业和用户的追捧。目前，其主要部件都是国外生产，售价较贵，一定程度上阻碍了在国内的应用。国内高新企业的加入加快了它的研发与生产进度，不久的将来，自主研发的三维激光扫描测量系统就能在测绘生产得以广泛运用，这将给我国社会经济建设、空间数据发展和测绘行业的更新换代带来深远影响。
参考文献
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