基于三維激光掃描與無人機航測的三維地形測繪技術融合分析

賀昆霖

（湖南省自然資源調查所，湖南 懷化 418000）

0 引言

傳統地形測量不但要投入諸多人力、物力，且花費時間較長，在三維掃描技術、無人機航測等先進技術應用后，可使以往地形測繪的難題得到妥善解決，快速精準的完成三維地形測繪任務。在實際應用中，將常用的三維掃描與無人機航測兩種技術融合起來，優勢互補，可使測量效率與準確性得到全面提升，即便是對地形復雜、環境惡劣的區域，同樣能夠獲得較高的數據精度，使測繪全面性與精確度充分滿足設計要求。

1 三維激光掃描技術

1.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是依靠三維激光掃描儀對待測目標展開掃描與測量，以地形測繪為例，依靠脈沖激光測距方式，在激光掃描儀應用中，采用極坐標系統，在內部激光發射器朝著目標點位發射激光，并利用接收器收集反射回的脈沖信號，從水平和垂直兩個角度獲取被測物體信息，計算出其與自身的距離，最后處理所求數據，套入大地坐標后，得出最終點云坐標值，完成對目標點位的測繪與分析工作。在三維地形測繪中，其關鍵技術在于多視站點掃描、站點位置信息采集、點云數據配準等，可為后期數據處理與三維產品輸出打好基礎。三維激光掃描技術路線如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術路線

1.2 三維激光掃描技術的優缺點

該項技術的功能日益完善，在點云數據收集中無須數據載體，只需與GPS 設備連接即可，此舉可有效避免多個系統傳輸錯誤的現象產生。在常規掃描狀態下，精度可達到厘米級別，還可使DEM 數據準確度明顯提升。在對結構復雜的建筑物掃描中同樣能夠采集更為完善的點云數據，適用于古建筑保護、數字校園建設等領域中，可為工作效果提升提供強有力的技術支持。該技術以多視站形式采集點云數據，其缺陷在于發射光線的仰角受到制約，導致受地形條件影響，很難準確布置點位。在掃描點內無高點，目標頂部超過掃描范圍，容易出現數據遺漏，為DEM 數據采集工作帶來不便[1]。

2 無人機航測技術基礎

2.1 無人機航測技術原理

無人機測量系統構成內容較多，包括飛行器、相機、通信設備與云臺等，在測量期間，利用無人機外業航拍采集測區影像數據，再精細化處理測區影像參數，創建DSM，篩除區域內非地面點數據，最終得到測量成果，其技術流程如圖2 所示。按照上述技術流程，在點云數據采集與處理期間，應與測區實際情況相結合，合理設定航測路線與高度，在作業區域內準確布設監控點位，經過坐標測量后，再對航測數據預處理，綜合分析相控點匹配情況，得到更加準確的點云數據。

圖2 無人機航測技術流程

2.2 無人機航測技術的優缺點

該項技術是在航空遙感測量基礎上產生，與遙感技術相比，可采集更加優質準確的地形信息。當前多旋翼無人機作業模式較為成熟，在拍攝中不會被遮擋視線，通過調節航跡角度、增加飛行器數量等方式，可采集到詳細的目標地形信息，其關鍵技術在于分區影像獲取、像控點位置信息采集、空三測量等。缺陷在于航拍角度受限，對于結構較為復雜的建筑物、水面等，無法準確還原，點云數據內存在分層情況，使模型準確度受到一定影響。在三維地形航測過程中，空中三角測量期間常常無同名像點支持，使像片很難形成定向精度，致使建模精度降低[2]。

3 三維激光掃描與無人機航測在地形測繪中的融合應用

3.1 工程概況

以某村鎮測繪項目為例，比例尺為1:500，測區內人員活動量較大，包含大面積建筑。在地形掃描中，因局部受到遮擋，三維激光掃描技術很難全面掃描村鎮各個角落，針對掃描遺漏的區域，可利用無人機航測方式進行補充，重點對建筑、植被茂盛區域進行數據檢核，三維激光掃描與無人機技術互為補充，相互校驗，使檢測結果更加完善且詳細，充分滿足三維地形測繪要求。

3.2 站點掃描與數據配準

3.2.1 多點位掃描

三維激光技術利用定點掃描模式，按照技術流程，每次掃描能夠獲得被測目標的部分點云數據，先要求對被測對象與周圍環境進行考察，設置多個掃描站點，使被測對象得到多點位掃描，盡量采集完整詳細的點云數據。在確保數據采集準確、完善的情況下，盡量減少站點數量，提高掃描效果。在點位選擇時，通常選擇視野開闊、無遮擋的制高點。在實際掃描中，如若被測對象與自身相距較遠，目測很難判斷其角度范圍，就要求在掃描期間，360°全景掃描每個站點，獲得點云圖。在初始圖像基礎上，優化各項參數，得到精掃圖，也就是初始點云數據。

3.2.2 站點位置信息采集

在衛星定位技術不斷成熟下，人們能夠在短期內準確掌握被測對象的位置信息。該項目采用RTK 技術進行高精度定位，依靠GPS 載波相位觀測法，結合參考站與移動站間的誤差關聯，依靠差分方式將移動站內觀測誤差剔除，提高定位精度。結合掃描儀原理可知，單站掃描數據相對位置的點云坐標是以各站為原點，創建三維坐標系，使各站數據納入坐標系中，且互不干擾。為使各站信息能夠體現到相同坐標系中，需要掃描各站坐標信息，再對所得數據進行絕對定位與配準。在外業環節，利用RTK 與全站儀結合的方式，可使各站點大地坐標得到準確監測，并量取儀器高度，得到點云數據的定位基準，如若在測區內沒有基準控制點，則要對點位給予GPS 差分處理，選出特征最為典型的點位為原點，剩余點位以此為依據陸續納入坐標系內[3]。

3.2.3 點云模型配準

該環節是兩項技術融合的核心所在，主要利用RTK 收集大地坐標，放入坐標系中，經過三維變換和影像絕對定向，使初始數據轉變為點云模型的大地坐標系，再將兩項技術的點云坐標系統一起來，完成模型配準。從本質上看，坐標系的三維轉變可看成是三維圖形轉變，點云拼接原理在于圖形坐標轉換，尋找局部與全局坐標系間的轉換矩陣，對于多視點云來說，在拼接中只涉及旋轉、平移，不需要縮放與投影，變換矩陣如式（1）所示。

對于三維激光技術采集的點云數據來說，在配準階段可將各測站坐標系進行統一，均納入大地坐標系統內，完成數據配準，如圖3 所示。對于無人機采集的數據，在空三加密處理中，可利用相控點控制絕對定向過程，使各個區域點云均可嵌入大地坐標系內。針對配準后的點云模型，利用專業軟件編輯后，對數據增刪或整合，得出配準后的模型。在相對定向結束后，相片位置基本明確，但在空間坐標內的絕對位置尚未確定，需要利用空間前方交匯方式，創建與地面相近的模型。在該模型中利用相對定向內的連接點進行控制，使該測區的相對坐標變為絕對。在空三加密完畢后，每張像片都擁有眾多加密點坐標，需要對其進行處理才可輸出三維產品[4]。

圖3 配準后的三維點云數據

3.3 數據處理與輸出

在點云數據應用中，可將兩種技術所采集的數據整合起來，先分割提取點云數據，將地表物體、植被與地形信息分類整理，再利用不同建模方式，創建相應的模型，獲得DEM 不規則三角網模型。采用特征點法，求解該模型坐標系與像素坐標系間的轉換參數，通過模型無變形紋理映射，獲得正射影像數據，在此基礎上，確定管轄范圍、拍攝范圍，獲得該工程的位置圖。最后借助AR 技術，對三維模型打包處理，輸出3D 產品，模型文件格式選用EXE 通用格式，支持在任何計算機上查看。值得強調的是，該項目利用三維激光技術進行測繪，容易受地形地物的影響，導致個別區域點云數據遺漏不全等情況產生，這就要求在實際測量中，發揮無人機航測的輔助作用，使數據缺陷得以補充，充分滿足地形測繪的各類要求。該項目中因航拍影像獲取的DSM模型沒有將植被剔除，對于植被覆蓋度低的區域，針對掃描數據進行檢驗，針對植被覆蓋度較高的位置，可用掃描數據與航拍數據進行估算，預測植被高度；在等高線優化中，利用QuickTerrain 軟件按照測量獲取的點云數據實施處理，繪制等高距為1m 的線畫圖，將掃描數據、航拍數據地面模型、RTK 測量等信息融合起來，可得到測區精細化地形圖，再將其嵌入到三維激光技術采集的地形圖內，對兩種測量技術所得的相同點位高程、等高線走向的信息對比，結合對比結果，檢測與修改差異之處，使壩址區域更加明確[5]。

3.4 精度檢驗

在DEM 地形測繪中，DEM 分辨率屬于關鍵指標之一，對使用范圍具有較大影響。該指標是指DEM 內最小單元格的長度，因其屬于離散數據，事實上，（X，Y）坐標便是小柵格的外在表現，每個柵格都有自己的位置標識，其尺寸便是DEM 分辨率，因此DEM 精度取決于柵格尺寸大小。在掃描站、像控點中選出80 個檢查點，所選各點位高程作為真實值，按照國家在地形圖航攝測量中的相關規定，選擇尺寸為0.5m、1.0m 和2.0m 的柵格，要求采樣點的誤差控制在±0.2m 左右。在現有TIN 模型基礎上，利用內插法生成各個柵格對應的DEM，對比各點位與DEM 內插點，得出各柵格尺寸DEM 的誤差，如表1 所示。根據表1 中數據可知，對于不同柵格的DEM 來說，誤差均低于要求范圍，沒有超出高程限定值的點數較少，同樣滿足標準，且精度超過傳統地圖法得出的DEM 精度，分辨率最小值不足1m。

表1 精度檢驗誤差成果

4 結語

綜上所述，在地形測繪過程中，通過三維掃描與無人機航測技術的融合應用，可充分發揮前者大范圍、快速掃描的作用，后者對漏掃位置進行補充，發揮二者合力，共同完成點云數據采集、處理、成品輸出等工作。與傳統模式相比，數據精度質量更高，且適用于環境惡劣、地形復雜之處，能夠節約大量成本與時間，掃測效果良好，值得進一步推廣應用。