【技术】三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用

【摘要】三维激光扫描技术具有使用方便、精度高、速度快等优点，被广泛应用在各个领域测绘工作中，尤其在地籍测绘中的应用大大减弱外业人员劳动强度，提高外业工作效率。本文对三维激光扫描技术原理进行分析，以3D 激光扫描仪为例探讨其在地籍测绘中的具体应用，为其在地籍测绘中更好的应用提供参考。

【关键词】三维激光扫描技术; 地籍测绘; 工程测量

三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用，主要通过三维激光扫描系统实现，依据系统运行平台、扫描空间位置，分为手持型激光扫描仪、机载型扫描系统、地面型激光扫描系统，本文探讨的3D 扫描仪即为地面型激光扫描系统的重要组成部分。

一、地籍测绘

当前我国地籍测绘立足权属调查，目的在于获得与表达地籍信息，涉及测量控制地籍、调查地籍要素、测量地籍要素等诸多内容。为保证测绘工作效率，开展地籍测绘工作时，应注重遵守从高级到低级、由整体到局部以及先控制后碎部的原则。同时，我国地域辽阔、地籍测量工作量大，因此，应用专业技术，不断提高地籍测绘工作质量及效率，是国家职能部门关注的重点。三维扫描技术可实现三维点大量的采集，并扫描各种复杂的环境，采集不规则、复杂程度高、大型的实景三维数据，借助计算机及相关软件实现目标的三维点云模型的构建，将其应用到地基测绘工作中，有助于更好地掌握待测目标的地理要素信息，以及地块权属界线的界址点坐标，为制定相关的策略提供重要依据。

二、三维扫描技术的工作原理

三维扫描技术用于确定被测量对象的三维坐标，包括测距、角位移、扫描以及定向等内容。

( 一) 测距。利用三维扫描技术进行测距时相位法、脉冲法、三角法较为常用，其中相位测距主要通过分析、计算在被测距离上调制光信号往返时形成的相位差，借助时间实现对被测距离的计算，在医学以及精密测量中较为常用; 脉冲法主要借助发射与接收脉冲的时间差，实现对距离的测量，该方法常被应用在三维激光扫描设备中; 三角法主要利用几何关系实现对距离的测量，此种方法适宜应用在近距离测量中。

( 二) 角位移。角位移是三维激光扫描技术测量的重要内容，实际测量中主要应用线位移与角位移的测量两种方法，其中前者主要利用由CCD 元件、直角棱镜、激光发生器构成的系统实现; 后者利用由步进电机驱动的扫描仪实现，借助步数、步距角，得出角位移大小。

( 三) 扫描。扫描是确定空间坐标的重要步骤，即，向被测区域发出扫描激光，通过激光的往返时间或相位差实现对距离的计算。同时，借助内部时钟控制编码器，分别对纵向角度值θ、横向角度值a。最后，利用以下公式便可计算出待测点的三维坐标:

( 四) 定向。定向指将在扫描坐标系获得的数据实现向大地坐标系下的转化，对定向识别标志中的中心坐标进行计算，通过对公共点坐标的转换，得到坐标系转换中应用的参数。

三、三维激光扫描技术的应用

3D 激光扫描仪具有动态、实时、高精度、采集速度快等优点，可获得大量三维地形数据信息。本文利用德国生产的3D 激光扫描仪探讨其在地籍测绘中的应用。使用该仪器进行地基测绘时，需要站相互之间的拼接完成点云数据的处理。同时，还需要借助专门的数据处理软件。另外，为更好地得到地物的绝对坐标，该扫描仪具备外接GPS 功能。该扫描仪在地籍测绘中的应用包括前期准备、站点设置、正式测量、数据处理等环节。

( 一) 测量准备。利用3D 激光扫描仪进行地籍测绘时，做好充分的测量准备，有助于测量工作的顺利进行。3D 激光扫描仪优点较多，如几乎不受地形因素影响、设站方便灵活，因此，需要进行的前期准备工作较少，即，对待测现场进行勘查，确定站位设置地点即可。

( 二) 设置站点。3D 激光扫描仪设站灵活性大，在高地势或视觉良好的巷道口均可设站。如待测区域已存在图根控制点，将其设置在控制点上即可，而后进行对中整平操作。考虑到每站中3D 激光扫描仪使用的坐标系统均为独立的，因此，应将觇标设置在行进路线上，为不同站之间数据的拼接提供方便。

( 三) 正式测量。当设置完毕站标与仪器架站后，便可进行正式扫描操作，每一站扫描花费的时间大概在4min 左右，扫描结束后可借助显示屏完成点云数据的查看，一旦发现数据获取未达到要求，可对扫描精度进行局部调整而后进行重新扫描作业。实际作业中如对街巷进行测量，因房屋密度较大，可将院落或房顶位置设置站点以辅助测量工作。另外，为实现对测区坐标系统的直接引入可开启外置的GPS 机，使获得的坐标系统更好地满足要求。另外，为进一步提高测量效果，降低建筑物的干扰，实现地物坐标精度的提高，测量工作中还可应用棱镜全站仪，在控制点附近位置，测量站标十字靶心的点位坐标，尤其应保证测量的均匀性，为拼接处理数据过程中，更加方便地引入坐标系统奠定基础。

( 四) 数据处理。利用Z + FLaserControl 软件拼接测站获得的三维点云数据，因各个觇标均存在差异，利用该软件可实现对站标十字靶心的自动识别，有效避免人为因素造成的误差。

拼站过程中以某站为参考，在此基础上进行拼接操作，即，每进行相邻站数据的加载，系统会在参考不同标靶十字心的基础上进行拼接，当相邻站拼接工作完成后，逐渐完成其他设站数据的加载工作，最后便可对拼接的整体效果进行查看。当发现某些站有拼接错误时，可利用手工方式，对两站之间重叠区域的共同特征进行深入分析，逐渐进行纠正，并将系统拼接误差控制在合理范围内。

在生成的报告中，拼站精度可达到毫米级，精度可达到预期要求。另外，软件具备裁切对点云数据功能，可为提取地物特征提供方便。考虑到拼接后会产生较大的点云数据，为提高处理效率，可利用计算机分块实施。为进一步提高地物特征线自动化提取工作效率，可利用剖面成像与导出切片，对特征线的提取加以辅助。同时，有针对性地导出切片，即，仅导出那些指定平面垂直下方与上方特定距离的点云数据，尤其对于扫描质量良好的区域，可方便得到地物平面图。数据处理操作中还应注重精度的对比，即，对比分析实测线划图和点云数据点位，不难得出，点云数据一般具有较高的精度，尤其将线划图提取后，界址点精度在2 ～ 5cm，部分在5～ 10cm，究其原因在于受内业人员对点云数据主观判断的影响，同时，在不同站数据拼接过程中出现误差传递。

四、结语

三维激光扫描技术被广泛应用在城市三维建模、工程测量、地质灾害监测等工作中，取得了良好的成效，考虑到其具有劳动强度低、获取速度快、测量精度高等优点，将其应用到地籍测绘中将获得意想不到的收获。本文通过研究得出以下结论: 一是三维激光扫描技术在地籍测绘中的应用主要借助专门的系统实现，通过利用专门的方法对距离、角度的测量，并利用专门的处理软件，对测得的数据进行处理，以获得满足要求的测量数据。二是3D 激光扫描仪借助相机与高速激光实现对地物图像及坐标的采集，被广泛应用在诸多领域，尤其在地籍测绘中，为提高测量精度，应依据相关规范要求，做好充分的测量准备，并合理设置站点，做好对扫描细节的控制，应利用专门软件做好对测量数据的处理，并做好误差较大数据的处理，为满足地籍测绘精度要求做好铺垫。

来源：《产业与科技论坛》