吳曉章，謝宏全，谷風(fēng)云，劉春秀，徐迎晨，張念坤

(淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇連云港222005)

一、引 言

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)。國內(nèi)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形測量的案例多為研究性應(yīng)用。梅文勝等［1］詳細(xì)論述實(shí)現(xiàn)精細(xì)地形測繪的方法及步驟;呂寶雄等［2］依托Riegl三維激光掃描儀在青海黃河拉西瓦水電站作了相關(guān)研究;胡奎等［3］針對(duì)煤礦沉陷區(qū)采用三維激光掃描技術(shù)成功繪制了精細(xì)地形圖;彭維吉等［4］用Riegl VZ1000三維激光掃描成像系統(tǒng)進(jìn)行了1∶2000地形圖成圖研究;崔劍凌［5］以西藏水利樞紐及配套灌區(qū)工程地形測量項(xiàng)目為例，完成了3種比例尺地形圖測繪。本文以淮海工學(xué)院蒼梧校區(qū)一葉湖周邊為研究區(qū)域，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究1∶500地形圖(地物)制圖方法，最后與全站儀測圖方法進(jìn)行對(duì)比分析。

二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

1.測區(qū)概況

本次試驗(yàn)以測繪地物為主，選擇校園內(nèi)一葉湖的長方形區(qū)域，東西長約300 m，南北長約265 m，周圍是校園道路，西部主要是人工草地(有稀疏樹木)，東部是人工湖，湖中有3個(gè)小島(樹木雜草繁多)，道路周邊有馬路牙子、雨水篦子、窨井蓋、花壇、路燈等地物。

2.獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，依據(jù)儀器功能采用全站儀導(dǎo)線方式進(jìn)行掃描，為獲取滿足1∶500地形圖制圖的精度要求，有效掃描距離控制在100 m以內(nèi)，采用全景掃描方式，以高分辨率方式(點(diǎn)間隔5 cm/100 m)對(duì)測站周邊進(jìn)行掃描。依據(jù)已知控制點(diǎn)(編號(hào)為A、B、C、D)情況，在長方形的4個(gè)角布設(shè)4個(gè)閉合導(dǎo)線(如圖1所示)，采用全站儀加密4個(gè)控制點(diǎn)(編號(hào)是 01、02、03、04)。

圖1 閉合導(dǎo)線布設(shè)略圖

3.野外點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

依據(jù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案，在校園控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上采用全站儀加密4個(gè)控制點(diǎn)(編號(hào)為01、02、03、04)，4個(gè)閉合導(dǎo)線分別進(jìn)行掃描。依據(jù)導(dǎo)線設(shè)計(jì)略圖，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在地面上做臨時(shí)導(dǎo)線控制點(diǎn)標(biāo)志，并做好點(diǎn)編號(hào)。從導(dǎo)線已知點(diǎn)開始架設(shè)掃描儀，按照導(dǎo)線方式逐站進(jìn)行掃描，具體方法見文獻(xiàn)［6—7］。每個(gè)測站掃描時(shí)間大約在 0.5～1 h，數(shù)據(jù)保存在一個(gè)工程文件內(nèi)。

4.點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將儀器中的數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)揭苿?dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)文件約為23 GB，傳輸時(shí)間約為3 h。一次性導(dǎo)入Cyclone軟件中失敗，因此采用“Import ScanStation C10 Partial Project”命令分批導(dǎo)入，每次選擇2～4個(gè)測站數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中大概需要3 h。

外業(yè)采集的測區(qū)原始數(shù)據(jù)在導(dǎo)入Cyclone軟件后會(huì)根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)生成拼接數(shù)據(jù)。由于Cyclone軟件的一些默認(rèn)設(shè)置的原因，拼接后的圖像中顯示的點(diǎn)云數(shù)量偏少，局部地物信息缺失嚴(yán)重，需在設(shè)置中改變“最大點(diǎn)云顯示數(shù)”，設(shè)置后的點(diǎn)云可清晰看到局部地物信息。

依據(jù)測圖范圍，利用Cyclone軟件功能，手動(dòng)操作將測區(qū)范圍以外的點(diǎn)云刪除。為消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余，Cyclone軟件中提供了歸一化命令(unify clouds)，選擇 Reduce Cloud:Average Point Spacing，依據(jù)需要設(shè)置參數(shù)后，點(diǎn)擊Unify按鈕就可以完成點(diǎn)云歸一化。

三、大比例尺地形圖制作方法

選擇AutoCAD 2013安裝徠卡Cyclone軟件的CloudWorx插件，制圖軟件采用 CASS7.0，地物圖主要制作過程如下:

1.提取地物特征點(diǎn)與特征線要素

在AutoCAD 2013軟件中導(dǎo)入預(yù)處理后的測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇俯視狀態(tài)視圖。由于軟件的一些默認(rèn)設(shè)置的原因，導(dǎo)入AutoCAD中的點(diǎn)云數(shù)量顯示過少。需在工作空間中重生成視圖，重新生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使顯示更加清晰。

利用AutoCAD 2013軟件提供的樣條曲線工具等功能命令手工繪出道路、房屋等地物的特征點(diǎn)與特征線要素(如圖2所示)。

圖2 提取地物特征線

2.地形圖繪制與編輯

在AutoCAD 2013軟件中手工提取地物特征點(diǎn)線后，以DXF的格式輸出，然后在CASS7.0軟件中打開文件，依據(jù)地物特征點(diǎn)線按照1∶500比例尺要求繪制地物符號(hào)。

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入至AutoCAD 2013中部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，造成路燈、井蓋等局部地物要素?zé)o法精確提取。在Cyclone軟件中打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取所需地物點(diǎn)的平面坐標(biāo)，在CASS7.0軟件中通過輸入坐標(biāo)法確定特殊地物點(diǎn)的位置，再選擇相應(yīng)符號(hào)繪制，最后添加文字注記信息。

在CASS7.0軟件可完成地形圖的整飾，測區(qū)范圍的成圖效果如圖3所示。

圖3 測區(qū)1∶500地形圖

四、與全站儀測圖方法的對(duì)比分析

本文將基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大比例尺地形圖測繪方法與全站儀測圖方法進(jìn)行了全面對(duì)比，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢可總結(jié)為以下幾個(gè)方面:

1)完整獲取測區(qū)地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用地面三維激光掃描儀采用全景掃描和高分辨率方式獲取測區(qū)內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以做到全覆蓋，局部地物細(xì)節(jié)表達(dá)清晰(如雨水篦子、窨井蓋等)，在地形圖繪制過程中對(duì)地物可以依據(jù)Cyclone中處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提取。而全站儀測圖方法是用全站儀測定行樹兩端點(diǎn)的坐標(biāo)，在CASS成圖過程中進(jìn)行等間距的符號(hào)繪制。另外，全站儀測圖方法在數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)地物特征點(diǎn)采集的質(zhì)量主要依靠測繪人員的專業(yè)水平，在跑點(diǎn)過程中有可能出現(xiàn)漏測、測量不規(guī)范等情況，如當(dāng)時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需補(bǔ)測。

2)地物繪制的精度較高。將同一區(qū)域地形圖試驗(yàn)成果與全站儀模式測量繪制的地形圖進(jìn)行疊加對(duì)比，在精度上存在一定差異，可以總結(jié)為兩種情況:一是某些地物符合度較高，即兩種方法外業(yè)數(shù)據(jù)采集精度上相差無幾，如對(duì)道路拐角的測量;二是某些地物符合度較低，即兩種方式精度上相差較大，如行樹的繪制，基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以精確提取每棵樹的三維坐標(biāo)，全站儀測圖是測量行樹兩端精確位置在CASS軟件中等間距繪制而成，行樹兩端位置幾乎重合，但行樹中間位置差異較大。經(jīng)過全面對(duì)比分析，基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的地形圖地物總體精度上要高于全站儀測圖。

3)復(fù)雜地物點(diǎn)云獲取快捷，特征表達(dá)準(zhǔn)確。地面三維激光掃描儀采用無接觸式高速獲取掃描物體表面的三維數(shù)據(jù)，直接實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜環(huán)境、不規(guī)則實(shí)體、危險(xiǎn)區(qū)域等的三維數(shù)據(jù)的采集。如在測區(qū)范圍內(nèi)對(duì)3個(gè)孤島獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)清晰準(zhǔn)確，在CAD軟件中可直接準(zhǔn)確提取出孤島的輪廓線。而全站儀測圖方法是通過免棱鏡模式對(duì)孤島的輪廓線進(jìn)行若干特征點(diǎn)的測量，在CASS軟件中采用多段線方式繪制輪廓線，精確度相對(duì)較低。

4)儀器自動(dòng)化程度高，野外人員絕對(duì)作業(yè)時(shí)間短。三維激光掃描儀在野外掃描過程中只需測量人員在測站點(diǎn)上進(jìn)行對(duì)中、整平、定向及掃描方式的設(shè)置等一系列簡單操作后，儀器將自動(dòng)根據(jù)設(shè)置對(duì)測區(qū)進(jìn)行掃描，對(duì)于測繪人員來講，其絕對(duì)作業(yè)時(shí)間較短，操作簡便。而全站儀測圖模式在外業(yè)采集信息的過程中需要測量人員不間斷選擇碎步點(diǎn)來達(dá)到采集地物特征點(diǎn)的目的，作業(yè)時(shí)間較長，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

地面三維激光掃描技術(shù)在大比例尺測圖方面目前還處于研究試驗(yàn)階段，還有一些問題亟待解決，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

1)地面三維激光掃描儀與全站儀相比價(jià)格非常昂貴(150萬元左右)，目前國內(nèi)企業(yè)普及程度較低，國外品牌儀器占有率高，國內(nèi)品牌儀器還處于研究應(yīng)用的起步階段。全站儀具有價(jià)格絕對(duì)優(yōu)勢，普及程度非常高。

2)目前沒有一套成熟的基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的專業(yè)繪圖軟件，只能通過將數(shù)據(jù)在各個(gè)軟件之間轉(zhuǎn)換并進(jìn)行處理，同時(shí)國內(nèi)地面三維激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用規(guī)范還在制定中。而全站儀從測量到驗(yàn)收有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，成果移交檢核沒有歧義。

3)本次試驗(yàn)研究在每個(gè)測站上自動(dòng)采集時(shí)間大約1 h，野外數(shù)據(jù)采集相對(duì)作業(yè)時(shí)間較長。而全站儀則是對(duì)測區(qū)內(nèi)地物特征點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測量，外業(yè)時(shí)間較短，工作效率較高。

4)由于掃描精度較高，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大(23 GB左右)，數(shù)據(jù)從儀器導(dǎo)出和導(dǎo)入Cyclone軟件時(shí)間較長(約3 h)，并且在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中花費(fèi)時(shí)間較多。全站儀采集的碎步點(diǎn)數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入CASS軟件，并依據(jù)草圖繪制地形圖，內(nèi)業(yè)時(shí)間較短，操作簡便。

五、結(jié)束語

本文選擇以地物為主的長方形區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用儀器隨機(jī)處理軟件Cyclone進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，選擇AutoCAD 2013安裝CloudWorx插件，利用CASS軟件重點(diǎn)研究1∶500地形圖(地物)制圖方法，最后與全站儀測圖方法進(jìn)行對(duì)比分析。通過試驗(yàn)研究，雖然可以繪制符合精度要求的大比例尺地形圖，但是由于多種因素影響還不能廣泛普及應(yīng)用于測繪企業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。地面三維激光掃描技術(shù)成熟應(yīng)用于地形圖精細(xì)繪制有許多問題有待進(jìn)一步研究。

［1］梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪［J］.測繪通報(bào)，2010(1):53-56.

［2］呂寶雄，居天力.三維激光掃描技術(shù)在水電大比例尺地形測量中的應(yīng)用研究［J］.西北水電，2011(1):14-16.

［3］胡奎，王麗英.三維激光掃描技術(shù)在精細(xì)地形圖繪制中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，32(7):953-956.

［4］彭維吉，李孝雁.基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測繪［J］.測繪通報(bào)，2013(3):70-72.

［5］崔劍凌.地面三維激光掃描在難及區(qū)域地形測量中的應(yīng)用［J］.北京測繪，2014(2):85-87.

［6］張志娟，田繼成，葛魯勇，等.全站儀模式獲取三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)方法研究［J］.測繪通報(bào)，2014(9):87-89.

［7］謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2013.