TLS地形测绘技术的现状与展望

TLS地形测绘技术的现状与展望

汪薇

贵州首钢国际工程技术有限公司贵州六盘水553028

摘要：地面三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能快速获取被测对象表面大面积、高分辨率的三维坐标数据，为建立物体的三维实体模型提供了一种全新的技术手段，是测绘领域继GNSS技术之后的又一次技术革命。TLS技术作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用，并逐渐取代一些传统的测绘方式。

关键词：TLS技术；地形测绘；TLS地形测绘；现状与展望；

社会科学技术不断进步发展的过程中，为了进一步提高我国工程测量水平，在采用传统测绘技术的基础上，引进更多的新技术，从而促进工程测量逐步向更加现代化、科学化和智能化的方向发展，进而推进工程建设本身的测绘水准和工程质量。

概述

TLS技术相对于常规测量技术主要有以下优势。（1）主动非接触测量：主动发射激光脉冲信号，非接触地获取目标三维数据信息。（2）数据采样速率高：数字化采样速率最高可达每秒百万点，能快速获取大面积目标空间信息。（3）分辨率高、精度高：立体高精度地获取毫米级间隔的三维点云数据，仪器不依赖于水准面，不受大地水准面精度的影响。（4）数据兼容性好：易于自动输出和后期处理，可通过后期处理软件实现同其他测绘软件的兼容共享。TLS地形测绘技术是TLS技术协同其他控制测量技术（GNSSRTK技术或全站仪技术等）进行地形测绘的技术。虽然GNSSRTK、全站仪数字化测图技术相对于传统模拟法测图技术，具有精度高、成图规范、自动化程度高等优点，但依然仅能逐个获取离散点三维坐标，不能快速获取大量空间信息，往往存在采集数据困难、效率低等缺点；近景摄影测量获取二维影像数据受视角和光线影响，解析点精度不高，且影像处理过程烦琐。TLS地形测绘技术改变了传统作业流程，极大缩短了野外数据采集时间，将主要精力转向内业数据处理，从而大大降低了外业人员的劳动强度。尤其在一些难以抵达或危险地带的不规则地形测绘中，TLS地形测绘技术具有高效性和优质性。因此，系统而深入地研究TLS地形测绘技术具有重要的实践意义。

TLS地形测绘技术的应用研究现状

1.精细地形和地面数字模型的TLS地形测绘应用研究，将三维激光扫描仪与GNSS、全站仪结合采集贵州金阳新区岩滑坡体地形数据，进行相对定位、绝对定位及点云拼接（拼接后点位误差在5cm左右），经过点云处理生成精细数字地形模型。采用TLS技术获取了金阳水电站引水洞出口边坡的三维点云图像，通过点云拼接、坐标转换（最大误差为4.6cm）、去噪等处理，导出地性线至AutoCAD中再编辑，最终得到数字高程模型。应用三维激光扫描仪和免棱镜全站仪进行外业数据采集，数据配准、地物绘制、非地貌数据剔除后由CASS软件生成1∶500地形图，实现了某隧道进口精细地形测绘。2013年结合TLS与GNSRTK技术，经过点云数据配准、坐标转换生成了持续开采的煤矿沉陷区不同等高距的等高线和1∶500精细地形图。2015年采用全站仪导线的方式对试验场地进行分站扫描，点云数据预处理后导入AutoCAD提取点、线状地物，继而用CASS7.0完成1∶500地形图绘制，用于比较全站仪测图的优势与不足。此外，基于地形测量中障碍物点云坡度大于实际地形坡度这一特征，提出一种实用的粗差剔除算法，并取得较好的效果。通过实验对比了高程插值、最小二乘拟合平面、最小二乘拟合趋势面等三种具有先验信息的去噪算法，提出以高程注记点为先验信息的可行性。采用多边形区域分割法分割处理点云数据，并用距离定权法进行数据内插，解决了地形扫描中的点云稀少、区域空白问题，提高了地面模型精度。提出一种在点云图及TIN模型的基础上，人工标记并提取点、线、面三类地物、地形高程点和特征点，结合数字测图软件绘制地形图的方法，通过与全站仪实测高程点、地物点平面位置、相邻地物点的差值对比，满足1∶500外业数字化测图要求。大量研究表明，TLS技术可在一定空间范围内立体、快速地获取海量三维点云数据，在大比例尺高精度精细地形图测绘及高分辨率地面数字模型建立方面前景广阔。

2.三维物理模型的TLS地形测绘应用研究，贵州首钢国际科学研究院的技术人员应用三维激光扫描仪进行金阳模型的地形测量，在无水条件下取得了较好的效果。TLS技术进行滑坡监测的可行性研究中，对金阳区典型堆积层滑坡物理模型进行扫描，采用球体拟合法计算了滑坡体的变形量。用TLS技术跟踪测量胶州湾物理模型试验（水平比尺1∶700，垂直比尺1∶70）的制作过程，对试验地形进行及时修正，保证了模型平面距离误差10mm、地形高程误差2mm的精度要求，以及试验地形的制作速度；在此基础上，通过点云叠加、点云比较、重心法、拟合法获取坡面的整体变形趋势，以及监测点的准确位移量，全面分析了基于点云数据的滑坡物理模型空间演化规律，有效避免了基于点监测以点带面的局限性。TLS技术丰富了物理模型三维地形测量的方法，很大程度上弥补了传统技术存在的效率低、人为误差大、地形易破坏、模型相似性难以保证等不足。

3.水利、矿山等复杂区域的TLS地形测绘应用研究，将TLS技术用于不具备攀爬条件的金阳温泉水电站水利枢纽区地形测量，生成数字地形图和格网间距为1m的TIN模型，指出TLS是高山峡谷地带水利枢纽区1∶500地形测量、建筑物1∶200大样测图的最佳技术。采用后方交会设站方法与全站仪相互配合进行测量，对河南河口村坝址进行地形测绘，生成1m等高距的等高线，解决了悬崖地带坝址区地形图难以测绘的问题。研究了TLS技术在金阳水电站某滑坡地形测量中的应用，点云数据经过坐标转换（拼接后最大点位误差为57mm）、去噪精简，生成三角网，平滑、补洞、细分，以及曲面拟合后生成DEM并输出1∶1000等高线图，对比全站仪检查点，平面点位中误差为±0．01m，平地与高山地高程中误差分别为±0.11m、±0．26m。在贵州某水利枢纽及配套灌区大比例地形测量项目中，对分站数据进行相对配准与绝对配准，手工提取地形地物坐标点成图，与等高线叠加编辑后，得到平面、高程精度均符合规范要求的地形图。对同一个矿区工作面进行两期扫描，经点云数据处理建立两期高精度DEM模型，对比得出地表下沉值，最后由求参模型反演开采沉陷预计参数，证明了将TLS技术用于矿山开采沉陷监测是可行的。采集了贵州某铅锌矿实地数据，经过去噪、相对坐标定位、数据简化、绝对坐标定位等处理创建TLS3D矿山地质模型，并通过标记点实际坐标与理论坐标对比，验证了基于罗德里格矩阵算法的绝对坐标定位程序的可靠性。结合贵州某矿山地质测量工作，对比研究了TLS技术与传统技术相比具有的优势，指出TLS技术可建立套合真实纹理信息的3D矿山模型并实现对矿山储量的动态监管。将TLS与GNSSＲTK技术结合应用于贵州某矿1∶1000地形测绘，对比RTK抽检地物点坐标，Δx、Δy和ΔH呈正态分布，点位中误差为±0．584m，等高线内插点高程中误差为±0．416m，均小于规范限差要求，解决了复杂环境下常规技术安全和质量难以保证的难题。TLS技术应用于矿山、水利水电等区域大比例尺地形测绘，具有数据均匀准确、视场完整、设站灵活、便于测站点与控制点联测等优势。TLS技术具有的一次性获取地形及其纹理图像等优势，在复杂地形区显得尤为重要，必将在水工建设、矿山治理等领域得到广泛应用。

社会科技的进步推动了工程测绘的发展，为了进一步保证工程质量，提高测量精确性、实时性至关重要，因此需要积极发展新型测绘技术，以满足工程需求，从而维护工程建设的健康发展。

参考文献

［1］谢宏坤．地面三维激光扫描技术与工程应用．2015.

［2］张秀军．李海燕，三维激光扫描技术及其工程应用研究．2016.