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三维激光扫描仪在地形测量中的应用 　　【摘要】三维激光扫描仪与全球定位系统（GPS）的结合是数字测图的又一次创新和进步，其具有简捷、高效、高清晰的数据获取能力，与传统测绘相比具有劳动强度低、时间短、测图的灵活性强，智能化、兼容性强等优势。本文介绍了三维激光扫描仪应用的现状，并与传统数据采集方式进行了比较，并结合实例将三维激光扫描技术应用于大比例尺地形测量中，结果表明了三维激光扫描技术方案能够很好的取代传统测量方式，保证测绘数据质量，能够提高作业效率。 　　【关键词】三维激光扫描仪原理；反射标靶；点云；地形测量 　　1、三维激光扫描仪应用现状 　　地面三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪的诞生为代表，是继GPS （Global Position System）技术以来测绘领域的又一次技术革命，该技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域[1]。 　　2、三维激光扫描仪工作原理 　　三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。 　　按照扫描平台的不同三维激光扫描仪可以分为：地面型激光扫描系统、机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统。本文工程中使用的为地面型三维激光扫描仪，其工作原理为：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。 　　整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要[2]。 　　3、工程应用实例 　　该工程为千岛湖引水工程，引水管布设长约100公里，沿途多处布设埋管、钢衬段及支洞口，测区多为山区丘陵地貌，植被较为茂密，通视情况较差，采用传统全站仪地形测量方案，废时、废力且效率低下，影响工作效率。现以一处支洞为例，采用地面型三维激光扫描仪进行测量并与传统测量方式进行比较。 　　本测区采用仪器为徕卡Scanstation C10 新一代一体化扫描仪，具有以下功能：[3] 　　（1）轻松实现全视场扫描。视场角高达360°X 270°，可轻松获取顶部，水平方向及垂直方向的数据，旋转镜头（智能X-MirrorTM设计），可覆盖几乎整个垂直方向的视场角。 　　（2）使用了和徕卡全站仪一样的高精度双轴（倾斜）补偿器，能完成导线测量、后方交会测量和放样。 　　（3）实用有效的测距范围，扫描距离大于300米。 　　（4）具有全站仪的测量精度，能使点位、距离和角度测量精度达到专业级测量精度。 　　（5）超高速激光扫描，扫描速度高达50000点/秒。 　　（6）Cyclone常规地形测量功能，基于扫描点云数据，利用徕卡 CYCLONE II TOPO地形测量软件模块可以轻松完成二维地形图的测绘和输出，节省了外业数据采集的大量时间，提高了地形测绘工程的作业效率。 　　3.1控制网布设 　　测区首级控制网由4点E级GPS点构成，采用南方9600北极星GPS接收机进行静态观测，并布设四等水准测量，使整个测区建立在一个基准控