1、第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20210906作者简介:叶科(1994)，男，浙江金华人，助理工程师，学士，主要从事测绘与地理信息等方面的应用研究工作。三维激光扫描在第三次国土调查中的应用研究叶科，冯思园(浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 310000)摘要:在国土三调过程中，普遍采用全站仪、GNSSTK 等传统单点测绘方法，数据成果生产效率低且人力资源投入较大，难以满足数据成果快速生产更新需求。本文利用近年来逐渐兴起的三维激光扫描技
2、术进行国土三调地籍测量作业，利用三维激光扫描系统快速获取高密度、高精度三维点云数据，通过 Trimble ealworks 点云处理软件对三维点云进行拼接、精简处理，然后提取测区地籍要素信息，绘制地籍图，并利用测区内均匀分布的检核点对三维激光地籍成果界址点坐标精度和地物间距精度进行分析检验，结果表明界址点平面和高程中误差以及地物间距中误差均未超过 0 05 m，满足规范精度和地籍成果生产使用要求。关键词:三维激光扫描;点云数据;地籍测量;精度验证中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06011003esearch on the Application of 3
3、D Laser Scanning in theThird National Land SurveyYE Ke，FENG Siyuan(Zhejiang Institute of Surveying and Mapping Science and Technology，Hangzhou 310000，China)Abstract:In the process of the third national land survey，traditional single point surveying and mapping methods，such as total stationand GNSSTK
4、，are generally adopted The production efficiency of data results is low and human resource investment is large，which is difficult to meet the demand for rapid production and update of data results In this paper，the threedimensional laser scan-ning technology，which has gradually emerged in recent yea
5、rs，is used to carry out the cadastral survey of the third national land sur-vey The threedimensional laser scanning system is used to quickly acquire highdensity and highaccuracy threedimensional pointcloud data The threedimensional point cloud is spliced and simplified processed by Trimble ealworks
6、 point cloud processing soft-ware，and then the cadastral element information of the survey area is extracted to draw the cadastral map The coordinate accuracy ofthe 3D laser cadastral achievement boundary point and the accuracy of ground object spacing were analyzed and verified by using theinspecti
7、on points evenly distributed in the survey area The results show that the errors in the plane and elevation of the boundary pointand the errors in the ground object spacing are not more than 0 05 m，which meets the requirements of the standard accuracy and theproduction and use of the cadastral achie
8、vementKey words:3D laser scanning;point cloud data;cadastral survey;accuracy verification0引言三维激光扫描本质上是通过速度极快的激光对被测对象进行扫描，从而获取海量高密度、高精度三维点云数据1，然后利用点云数据构建与被测对象高度一致的三维模型。相较于全站仪、TK 等常规测量技术，三维激光扫描技术具有较为明显的优势，如全自动非接触式测量、面状高密度点云数据采集、可视化数字成果呈现等特点2，能够大大提升国土三调外业测量及数据生产效率，弥补传统作业方法的不足。利用三维激光扫描技术进行国土三调地籍测量作业，可对测
9、区范围内的房屋建筑三维点云进行快速高精度采集3，以点云数据为基础，进行矢量化地籍数据提取，从而在较短时间内完成大范围区域地籍测量数据成果生产作业。本次研究以 TrimbleTX8 三维激光扫描仪为核心，对三维激光扫描技术在国土三调中的应用可行性进行分析研究，以某地区地籍调查项目为研究对象，进行外业扫描作业，获取测区建构筑物三维点云数据，对其进行矢量化处理，生成地籍数据成果，并对地籍成果进行精度分析，验证三维激光扫描技术在国土三调地籍测量作业中的可靠性。1三维激光扫描地籍测量三维激光扫描通常可分为任意设站和已知点设站 2种作业方式4。其中任意设站是在未知点上架设激光扫描仪，利用多个标靶进行多测站
10、间点云数据配准及坐标转换处理，相邻两测站间公共标靶数量不得低于 3 个;若要将三维激光扫描数据成果转换至测区既有坐标系下，需在已知点上布设标靶，从而实现扫描坐标系与测区坐标系的转换5。已知点设站扫描原理与全站仪测量原理较为相似，在测区内已知点上假设激光扫描仪，对待测目标进行扫描作业，获取到的点云数据的三维坐标即位于测区坐标系下6，无须进行点云配准和坐标转换。但在地籍测量过程中，三维激光扫描仪设站点普遍位于未知点上，因此普遍会选择任意设站扫描方式进行外业点云数据扫描作业。本次研究所选用的扫描设备为TrimbleTX8 三维激光扫描仪，为保障外业扫描数据成果的完整性，采用 360扫描模式进行现场扫
11、描作业，每个扫描站扫描作业时间不得低于 2 min，相邻两扫描站之间的公共点数量需控制在 4 个以上，扫描重叠区域需高于 30%，同时对两扫描测站之间的距离进行严格把控，保证三维点云数据精度。本次研究采用任意设站扫描方式进行测区地物点云数据采集，因此，需要在测区内已知控制点上布设标靶，从而实现扫描坐标系与测区坐标系的转换。本项目采用研究区城市 COS 系统进行控制测量作业，在测区周边稳定位置布设 A4 幅面扫描标靶，并与测区控制网进行联测作业，统一扫描坐标系，控制标靶周边需采取一定防护措施，保障标靶稳定不被破坏。2点云数据处理2 1点云数据拼接采用三维激光扫描技术进行外业扫描作业时，各个扫描站
12、所获取的点云数据均处于以扫描仪中心为原点的扫描坐标系下，各扫描站点云数据相互独立，均为测区局部区域点云数据，需利用相邻两扫描站之间的公共点进行点云拼接处理7，从而获取测区完整点云数据。点云数据拼接本质上是坐标系的转换，以相邻两扫描站之间的公共标靶为基础，对 2 个扫描站各自的点云数据进行旋转、平移及缩放处理，令所有公共标靶均高度重合，即可完成点云数据拼接。点云数据拼接的关键在于旋转参数、平移参数以及缩放参数的计算求解，假定 A、B为两个相邻扫描站的点云集合，点云集合 A 位于坐标系 O XYZ 下，点云集合 B 位于坐标系 o xyz 下，公共点 P 在A、B 两点云集合中的坐标分别为 Ai(
13、X，Y，Z)、Bi(x，y，z)，则点云拼接时拼接模型如式(1)所示。XYZi=(，)xyzi+T(1)式(1)中，、T 分别表示点云拼接时的旋转矩阵、平移矩阵，其取值分别如式(2)和式(3)所示;表示尺度参数，点云拼接时不进行缩放处理，故 取值为 1。T=x0y0z0 (2)(，)=coscoscossin sin cossin+sinsincoscoscos+sinsinsinsincossinsin+cossincos sincos+cossinsincoscos(3)依据点云拼接模型可知，点云拼接过程中共计涉及 6个求解参数，分别为 3 个平移参数 x0、y0、z0和 3 个旋转参数、
14、，因此要求至少存在 3 组同名点对，构建 6 个线性方程，方可进行参数求解8，但在实际应用过程中，普遍会采用数量较多的同名点对进行参数求解，保障点云拼接精度。2 2测区点云坐标转换各扫描站点之间的三维点云数据拼接完成后，即实现了测区完整点云数据的采集，本项目在测区周边布设了 5 个稳定不变形的 A4 幅面控制标靶，标靶中心已与测区控制网进行联测，因此可通过坐标转换处理将完整点云数据变换至测区坐标系下，从而实现具有测区统一坐标的完整点云数据。测区完整点云转换后内符合精度统计分析结果见表 1。2 3绘制地籍图在进行点云数据采集时，为保障点云精度及点云完整性，往往需要设置较高的点云密度，但点云密度过
15、高会对后续点云处理利用造成极大不便，因此需要对拼接后的点云数据进行精简处理。点云精简的本质是点云抽稀及重采样，将密集点云数据中的冗余点云按照一定规则方式进行合理剔除，从而使得点云密度符合使用需求。本次研究利用 Trimble ealworks 点云处理软件对测区点云进行精简抽稀，处理完成后导出 pts 点云数据文件，利用 MicrostationV8i 进行测区地籍要素信息提取作业。地籍要素提取时，可利用点云切片工具采集界址点及地物特征点，便于直观提取坐标及边长数据信息，提取完成后即可进行矢量化处理，获取测区地籍图成果数据。表 1内符合精度Tab 1Internal coincidence a
16、ccuracy点号X(cm)Y(cm)D(cm)平均较差(cm)中误差(cm)C101 21 2C20 70 91 1C33 10 43 1C40 50 60 8C51 91 12 21 691 80111第 6 期叶科等:三维激光扫描在第三次国土调查中的应用研究3精度评定国土三调是较为严谨的基础测绘工作，数据成果需具有较高的精度10，因此需要对三维激光扫描地籍测量成果进行精度检验。本次研究在测区范围内布设了一定数量的检核点，利用高精度 GNSSTK 对检核点三维坐标进行多次独立测量，将实测结果与三维模型中对应点位进行对比分析，统计点位中误差及距离中误差，从而完成三维激光扫描地籍测量成果精度评定。3 1精度评定方法本次研究通过查阅相关规章规程，对国土三调地籍测量成果精度指标进行调研统计，见表 2。表 2界址点精度Tab 2Accuracy of boundary points类别界址点相对于邻近界址点单位中误差(cm)中误差允许误差界址点间距允许误差(cm)一51010二7 515153 2精度评定结果分析在进行三维激光地籍测量成果检核点布设时，严格按照均匀分布的原则，共计布设了 16
